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Desafíos de calidad de la energía creados por los sistemas de almacenamiento de energía con baterías
Sistemas de almacenamiento de energía con baterías (BESS)se están convirtiendo en una parte importante de la infraestructura eléctrica moderna. Las empresas de servicios públicos, las plantas de energía renovable, las instalaciones industriales, los centros de datos y las microrredes utilizan cada vez más el almacenamiento con baterías para gestionar la demanda máxima, estabilizar el suministro eléctrico e integrar la energía renovable.
Sin embargo, conectar grandes sistemas de almacenamiento de energía con baterías a una red eléctrica también puede crear nuevos desafíos de calidad de la energía.
UnBESSno conecta las baterías directamente a la red de CA. Utiliza un sistema de conversión de potencia (PCS) para convertir la energía de CC de las baterías en energía de CA y viceversa. Debido a que el PCS depende de la electrónica de potencia de alta velocidad, puede interactuar con transformadores, cables, bancos de condensadores y otras cargas no lineales.
Por lo tanto, al diseñar una instalación BESS, es necesario considerar la distorsión armónica, la potencia reactiva, las fluctuaciones de tensión, la resonancia y las condiciones de red débil.
Un BESS típico incluye bastidores de baterías, un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema de conversión de potencia, transformadores, aparamenta eléctrica y un sistema de gestión de la energía.
Desde la perspectiva de la calidad de la energía, el PCS es uno de los componentes más importantes.
Durante la carga, el PCS convierte la energía de CA de la red en energía de CC para las baterías. Durante la descarga, convierte la energía de CC de las baterías nuevamente en energía de CA.
Los convertidores modernos utilizan dispositivos semiconductores de conmutación, como IGBT o dispositivos de carburo de silicio (SiC), para controlar este proceso. Estos convertidores proporcionan un control rápido y preciso, pero la conmutación también puede introducir corrientes armónicas e interactuar con la impedancia de la red eléctrica.
La calidad de la energía también puede cambiar continuamente porque un BESS puede pasar de carga completa a carga parcial, espera y descarga completa en un período relativamente corto.
Los principales desafíos pueden resumirse de la siguiente manera:
| Desafío de calidad de la energía del BESS | Causa principal | Impacto potencial | Mitigación típica |
|---|---|---|---|
| Distorsión armónica | Conmutación del PCS/inversor | Calentamiento, pérdidas, THD elevado | Filtrado del PCS, AHF, filtros pasivos |
| Potencia reactiva | Cambio en el funcionamiento del convertidor | Factor de potencia deficiente, variación de tensión | Control del PCS, SVG o STATCOM |
| Fluctuaciones de tensión | Carga/descarga rápida | Parpadeo, tensión inestable | Control dinámico de la potencia reactiva |
| Resonancia armónica | Capacitancia e inductancia de la red | Armónicos amplificados, esfuerzo en los condensadores | Estudio de armónicos, filtrado sintonizado |
| Interacción con una red débil | Alta impedancia de la red | Aumento de la distorsión de tensión | Optimización del control, STATCOM |
Comprender estos problemas antes de la instalación es mucho más fácil y menos costoso que corregirlos después de la puesta en servicio.
Distorsión armónica es una de las principales preocupaciones de calidad de energía asociadas con los sistemas de almacenamiento de energía en baterías.
Idealmente, la tensión y la corriente en un sistema de CA siguen una forma de onda sinusoidal. Los convertidores electrónicos de potencia conmutan la corriente rápidamente para controlar el flujo de energía, creando componentes de frecuencia por encima de la frecuencia fundamental de 50 Hz o 60 Hz.
Estos componentes se conocen como armónicos.
Distorsión armónica total (THD) se utiliza comúnmente para describir su magnitud general. Una distorsión armónica excesiva puede aumentar las pérdidas eléctricas y el calentamiento en transformadores, cables, motores y otros equipos.
Los equipos PCS modernos normalmente incluyen filtrado integrado y controles de conmutación avanzados. Sin embargo, el rendimiento armónico real depende del sistema eléctrico completo, no solo del convertidor.
Los factores importantes incluyen:
Impedancia de la red
Impedancia del transformador
Carga operativa del BESS
Cargas no lineales existentes
Bancos de condensadores
Otros convertidores de potencia
Longitud y capacitancia del cable
Condiciones de carga y descarga
Esto significa que un convertidor que funciona bien bajo una condición de red puede producir resultados diferentes cuando se instala en otra.
Por lo tanto, los proyectos grandes de BESS deben evaluar los armónicos en el punto de acoplamiento común (PCC) en lugar de considerar únicamente la especificación del PCS.
Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías están diseñados principalmente para intercambiar potencia activa, pero los equipos PCS modernos a menudo también pueden controlar la potencia reactiva.
La potencia activa realiza trabajo útil y se mide en kW o MW. La potencia reactiva sostiene los campos eléctricos y magnéticos y se mide en kVAR o MVAR.
Su relación con la potencia aparente puede expresarse como:
S² = P² + Q²
donde P es la potencia activa, Q es la potencia reactiva y S es la potencia aparente.
La capacidad de un BESS para controlar la potencia reactiva puede mejorar realmente la calidad de energía. Un PCS correctamente controlado puede proporcionar soporte de tensión, mejorar el factor de potencia o compensar la potencia reactiva en otra parte de la red.
Sin embargo, el convertidor tiene una capacidad limitada de potencia aparente.
Cuando el BESS funciona cerca de la potencia activa máxima, puede haber menos capacidad del convertidor disponible para la compensación de potencia reactiva. Por lo tanto, los ingenieros deben considerar la curva de capacidad del PCS en lugar de asumir que su capacidad total de potencia reactiva siempre está disponible.
En redes con cargas que cambian rápidamente, puede ser necesaria una compensación dinámica adicional si el PCS no puede proporcionar suficiente potencia reactiva bajo todas las condiciones operativas.
Una de las principales ventajas del almacenamiento de energía en baterías es la velocidad.
Un BESS puede aumentar rápidamente la potencia de carga, reducirla o cambiar de carga a descarga. Esto hace que el almacenamiento en baterías sea valioso para la regulación de frecuencia, la reducción de picos y el equilibrio de energía renovable.
Pero los cambios rápidos de potencia también pueden afectar la tensión de la red.
El efecto es especialmente importante en redes débiles, redes industriales remotas y microrredes donde la capacidad de cortocircuito es relativamente baja.
Los posibles efectos incluyen:
Cambios rápidos de tensión
Parpadeo de tensión
Desconexiones molestas de equipos
Regulación de tensión inestable
Actividad del cambiador de tomas del transformador
Por lo tanto, la fortaleza de la red se convierte en una parte importante del análisis de calidad de energía del BESS.
En una red fuerte, un gran cambio en la salida del BESS puede causar solo un pequeño cambio de tensión. El mismo BESS conectado a una red más débil puede tener un efecto mucho mayor.
El control de potencia reactiva del PCS, SVG o STATCOM puede utilizarse cuando se requiere un soporte rápido de tensión.
Un BESS no funciona de forma aislada.
Las redes eléctricas industriales pueden contener ya bancos de condensadores, transformadores, cables largos, variadores de frecuencia, sistemas UPS, inversores solares y otros equipos de electrónica de potencia.
Estos componentes influyen en la impedancia de la red a diferentes frecuencias.
La capacitancia y la inductancia pueden crear frecuencias naturales de resonancia. Si un armónico significativo ocurre cerca de una de estas frecuencias, la tensión o la corriente armónica pueden amplificarse.
Los bancos de condensadores requieren una atención especial.
Los condensadores de corrección del factor de potencia pueden interactuar con la inductancia del transformador y de la red. Añadir un BESS grande u otro equipo basado en convertidores puede cambiar el entorno armónico y exponer un banco de condensadores existente a corrientes armónicas más elevadas.
Las posibles consecuencias incluyen sobrecalentamiento de condensadores, activación de fusibles, sobrecalentamiento de reactores, distorsión excesiva de tensión y fallo prematuro de condensadores.
Para proyectos BESS industriales grandes o de media tensión, un estudio armónico o un escaneo de frecuencia puede identificar posibles resonancias antes de instalar los equipos.
A diferencia de muchas cargas eléctricas convencionales, un sistema de almacenamiento de energía en baterías no permanece en un único punto de funcionamiento.
Puede funcionar en:
Carga completa
Carga parcial
Espera
Descarga parcial
Descarga completa
El rendimiento armónico, la potencia reactiva y el comportamiento de tensión pueden cambiar entre estas condiciones.
Por ejemplo, el THDi puede parecer significativamente mayor cuando el PCS funciona con carga ligera porque la corriente fundamental se vuelve menor. La capacidad de potencia reactiva también puede cambiar a medida que la potencia activa se aproxima a la capacidad máxima del convertidor.
Por esta razón, medir un BESS en un único punto de funcionamiento no proporciona una imagen completa.
Los estudios de calidad de energía deberían evaluar varios escenarios realistas de carga y descarga, especialmente para sistemas grandes conectados a redes industriales sensibles.
No existe una única solución para todos los problemas de calidad de energía del BESS. La mitigación debe seleccionarse según las mediciones reales, los estudios de red y el tipo de perturbación.
El propio PCS debería evaluarse primero. Los convertidores modernos utilizan algoritmos de control y filtros de salida para reducir las emisiones armónicas y a menudo pueden proporcionar control de potencia reactiva.
Si se requiere una mitigación armónica adicional, los filtros armónicos pasivos pueden dirigirse a frecuencias armónicas específicas. Suelen ser adecuados para aplicaciones de media tensión grandes y relativamente estables, pero su diseño debe considerar la resonancia de la red.
Un filtro armónico activo (AHF) mide las corrientes armónicas e inyecta corriente de compensación. Esto hace que el filtrado activo sea útil en redes de baja tensión donde las condiciones armónicas cambian con la carga de funcionamiento.
Para problemas dinámicos de potencia reactiva y tensión, los Generadores estáticos de var (SVG) o los sistemas STATCOM pueden proporcionar una compensación rápida. STATCOM es especialmente relevante para redes de media tensión más grandes y aplicaciones con redes débiles donde la estabilidad de tensión es importante.
La solución correcta depende del problema. Instalar equipos de compensación sin comprender primero la red puede crear problemas adicionales en lugar de resolverlos.
Idealmente, deberían tomarse mediciones de referencia de calidad de energía antes de la instalación.
Los parámetros importantes incluyen THD de tensión, THD de corriente, órdenes armónicos individuales, potencia activa, potencia reactiva, factor de potencia, variación de tensión y desequilibrio de tensión.
Los ingenieros también deberían identificar:
Capacidad de cortocircuito en el PCC
Impedancia del transformador
Bancos de capacitores existentes
Grandes cargas no lineales
Cables subterráneos largos
Otros equipos basados en inversores
Capacidad de potencia reactiva del PCS
Límites de armónicos aplicables
Para proyectos grandes, el análisis de flujo de carga armónico y los barridos de frecuencia pueden proporcionar una comprensión más clara de cómo el BESS propuesto interactuará con la red existente.
Normas como IEEE 519 se consultan comúnmente al evaluar la distorsión armónica en el PCC, aunque también deben considerarse los códigos de red locales y los requisitos de las empresas eléctricas.
Sí, pueden hacerlo. Un BESS utiliza un convertidor de electrónica de potencia para intercambiar energía con la red de CA. La conmutación del convertidor puede generar corrientes armónicas, aunque los equipos PCS modernos incluyen métodos de filtrado y control diseñados para minimizarlas.
Sí. Muchos convertidores BESS modernos pueden controlar la potencia reactiva además de la potencia activa. Esto significa que el PCS puede ser capaz de proporcionar corrección del factor de potencia, dependiendo de su capacidad nominal y capacidad disponible.
Un BESS puede interactuar con la impedancia existente de la red y contribuir a condiciones de resonancia. Los transformadores, bancos de capacitores y cables influyen en las frecuencias de resonancia de una red eléctrica.
No. El filtrado adicional debe seleccionarse únicamente cuando las mediciones o los estudios de ingeniería indiquen que es necesario. Dependiendo del sistema, la solución adecuada podría implicar la optimización del PCS, filtrado pasivo, filtrado armónico activo u otros equipos de calidad de energía.
Los sistemas de almacenamiento de energía con baterías proporcionan grandes beneficios para la integración de energías renovables, la gestión de picos y la flexibilidad de la red, pero su conexión a las redes eléctricas modernas también crea nuevas consideraciones de calidad de energía.
Los desafíos más importantes incluyen la distorsión armónica, la potencia reactiva, las fluctuaciones de voltaje, la resonancia armónica y la interacción con redes débiles.
Al mismo tiempo, la tecnología BESS también puede mejorar la calidad de energía. Los sistemas modernos de conversión de potencia pueden proporcionar control de potencia reactiva, soporte de voltaje y otros servicios de red cuando se diseñan correctamente.
La clave es evaluar la red eléctrica completa en lugar de tratar el convertidor de batería como un dispositivo aislado. Las mediciones de referencia, el análisis armónico y los estudios adecuados del sistema permiten identificar problemas antes de la puesta en servicio y determinar si realmente se requieren soluciones adicionales como filtros pasivos, filtros armónicos activos, sistemas SVG o STATCOM.
A medida que los sistemas de almacenamiento de energía con baterías continúan expandiéndose en redes industriales y de servicios públicos, la calidad de energía se convertirá en una parte cada vez más importante del diseño fiable de BESS.
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