Los inversores cantantes muestran armonía eléctrica para los sistemas de energía renovable

De pie entre los paneles solares y los equipos de la red eléctrica en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), es posible que escuche una melodía tenue y distorsionada zumbando desde algún lugar. No estás alucinando: esa caja gris realmente está cantando el tema de Star Wars, o la canción del camión de helados, o el vals en la menor de Chopin. Los ingenieros de sistemas de energía simplemente se divierten con una capacidad NREL que evita problemas de estabilidad en la red eléctrica.

Por lo general, los ingenieros envían otro tipo de forma de onda a través de los inversores y bancos de carga: megavatios de energía y vibraciones de voltaje a muchas frecuencias. El propósito de su investigación es ver cómo interactúan los dispositivos de energía y la red, para «sintonizarlos» y evitar peligrosas oscilaciones eléctricas que aparecen como retroalimentación chirriante o un subgrave en auge.

Los ingenieros pueden hacer este análisis en alta fidelidad con hardware NREL usando el avanzado laboratorio sistema de medida de impedanciay también han producido un software disponible comercialmente llamado Grid Impedance Scan Tool o GIST que puede hacer lo mismo con energía simulada en modelos de dispositivos, lo que permite que cualquier fabricante u operador de red certifique la estabilidad de la red con recursos de energía renovable.

«Estas capacidades únicas pueden entusiasmar a las turbinas eólicas, los inversores fotovoltaicos y todos estos equipos nuevos en diferentes frecuencias para comprender si serán amigables con la red o habrá algunas interrupciones», dijo Shahil Shah, líder del proyecto y desarrollador de GIST.

Estabilidad en sol mayor

Al igual que la música, la electricidad está compuesta de ondas que interactúan para crear armonías y distorsiones. Mientras que la música abarca alrededor de 10 octavas, los sistemas de energía eléctrica con equipos como la energía eólica y las plantas de energía solar utilizan 20 octavas. Esto deja mucho espacio para que las señales se superpongan, resuenen y amplifiquen, lo que sucede ocasionalmente en los sistemas eléctricos y parece estar sucediendo más a medida que los generadores giratorios son desplazados por la electrónica de potencia como los inversores eólicos y solares. Cuando ocurren oscilaciones no autorizadas, pueden dañar los componentes o causar fallas totales en el sistema de energía.

«La energía solar y eólica crean muchas oscilaciones al igual que las estructuras mecánicas, pero no las vemos. Esto puede crear un comportamiento disruptivo, y ha sucedido en todo el mundo en sistemas de energía con altos niveles de energías renovables», dijo Shah.

La estabilidad es complicada porque los diseños de la red son diferentes de un sistema a otro, por lo que agregar una nueva planta de energía eólica o solar es como colocar a un nuevo músico en un grupo en vivo sin proporcionarles partituras; qué hábil.

Para los socios de la industria, NREL proporciona exactamente esa capacidad: colocar un dispositivo en su verdadero entorno de red y ver cómo «suena». La infraestructura de alta potencia de NREL puede emular cualquier red eléctrica para tecnologías asociadas y puede medir de cerca la respuesta de la tecnología.

«Desarrollamos herramientas que nos permiten cambiar rápidamente entre las frecuencias que estamos inyectando en la red», dijo Przemek Koralewicz, co-desarrollador de GIST. «Y para generar música, usamos exactamente las mismas herramientas».

Al igual que los inversores que cantan, los paneles solares, las turbinas eólicas o las baterías de un socio funcionarán a las frecuencias de la red. Dentro de esta sinfonía de megavatios, los ingenieros pueden identificar y corregir dónde el sistema vibra peligrosamente.

A medida que más operadores de red insisten ahora en las evaluaciones preliminares de estabilidad para las conexiones de nuevos dispositivos, las demostraciones de potencia real se vuelven más importantes. Pero no todos los operadores de red o fabricantes de dispositivos pueden visitar el entorno de investigación avanzada de NREL para sistemas de energía para validar su interconexión. Una alternativa podría ser modelar los sistemas, pero dichos modelos de alta fidelidad generalmente no están disponibles en un formato abierto y transparente, ni para los dispositivos ni para la red.

En cambio, los ingenieros de NREL inventaron una solución para verificar la estabilidad con nada más que un software de escritorio y modelos de caja negra comúnmente disponibles que no revelan la propiedad intelectual de los proveedores de energía eólica y fotovoltaica.

Software para comprobar fácilmente la estabilidad de la red

Software GIST de NREL muestra que en realidad no se necesitan modelos de dispositivos detallados; la variedad de caja negra funcionará bien. GIST solo mide la estabilidad combinada de los dispositivos que interactúan, y para eso, cualquier modelo que capture el comportamiento del dispositivo en sus terminales servirá. Esta flexibilidad permite a los usuarios probar una gama mucho mayor de dispositivos, superando todas las barreras para las evaluaciones de estabilidad.

Dado que la estabilidad de la red es un resultado colectivo, una armonía de los dispositivos y la red, debe evaluarse en los cruces donde los dos se encuentran. GIST hace esto al interactuar entre los modelos de dispositivo y red: dispositivos en un lado, red eléctrica en el otro. Luego, el software inyecta el modelo combinado con frecuencias para ver cómo responde el sistema. Esto se llama exploración de impedancia.

Una exploración GIST puede tardar entre unos minutos y varias horas, según el tamaño del sistema y la cantidad de dispositivos electrónicos de potencia, y puede evaluar varios dispositivos en paralelo. En la práctica, un usuario escanearía en una variedad de puntos a lo largo de la red para obtener una vista completa de la estabilidad dinámica. Actualmente, GIST está disponible con licencia y se está aplicando en varias asociaciones de investigación.

El software es especialmente útil para validar los controles de formación de redes, que permiten que los recursos de energía renovable brinden estabilidad de la misma manera que lo han hecho tradicionalmente los generadores giratorios. Encontrar la combinación correcta de dispositivos que forman y siguen la red pronto preocupará a los operadores de sistemas y empresas de servicios públicos en todas partes, y GIST puede ayudar a determinar si una combinación dada es verdaderamente estable. GIST también complementará el esfuerzo de amplia colaboración de NREL para desarrollar controles de formación de cuadrículas a través del consorcio UNIFI al proporcionar una herramienta para que los investigadores evalúen rápidamente nuevas tecnologías y arquitecturas de sistemas.

Puede parecer que los inversores de NREL están cantando con su propia melodía, pero en realidad es la melodía de la estabilidad de la red general. Mientras canciones memorables resuenan a través de la electrónica de potencia del laboratorio, los visitantes recuerdan que la frecuencia de la red también es armoniosa o áspera, discordante o dulce. Para garantizar que la energía renovable tenga un crescendo suave en los sistemas de energía, los socios pueden recurrir a las herramientas de prueba y software de NREL.