Retos en la integración de la generación distribuida en el sistema de potencia actual.
Eficiencia Energética
La generación distribuida ha dejado de ser una posibilidad para convertirse en un hecho, solo con dar un vistazo al mercado local, en Colombia ya se cuentan por cientos las empresas que están involucradas o intentan integrarse a proyectos de implementación de generación fotovoltaica. Esto ha traído una gran cantidad de ventajas y beneficios en todos los aspectos sociales, económicos, medioambientales, entre otros. Sin embargo, este gran “boom” ha traído de la mano retos técnicos importantes que son visibles en todos los sectores de infraestructura eléctrica. A continuación, dos de los retos técnicos más relevantes que se han experimentado son detallados.
El problema de la inercia: Como es sabido, las fuentes de generación convencionales (generadores que funcionan bajo principios mecánicos o térmicos) presentan una característica conocida como inercia, la cual está asociada al potencial mecánico que puede ser convertido en energía eléctrica. Esta característica se encuentra asociada a los aspectos físicos o constructivos del generador y es la encargada de garantiza que los cambios forzados en el nivel de carga o en la fuente de generación primaria (caída de cascadas, quema de combustible) no generen cambios significativos en las características de la forma de onda (amplitud o frecuencia).
Sin embargo, para el caso de la generación no convencional, estas fuentes no presentan esta característica, debido a esto, la menor variación en la fuente de generación primaria (viento, irradiación) ocasiona variaciones drásticas. Esta deficiencia en los generadores no convencionales hace compleja la desaparición completa de los generadores convencionales. Aun no existe una solución definitiva para este asunto, son muchas las propuestas de solución, entre las cuales se puede resaltar las soluciones basadas en la inclusión de acumuladores de energía como super capacitores y baterías de respaldo en paralelo a los generadores.
Asimismo, el desarrollo de generadores virtuales, los cuales por medio de dispositivos de monitoreo y procesamiento calculan la corriente de fase adecuada para emular la característica de inercia y mantener niveles de frecuencia y amplitud estable. Al integrar cada uno de estos generadores al sistema de potencia, el problema se replica. Lo anterior hace que el sistema de potencia sea susceptible a variaciones en frecuencia debido a las características de los generadores en cada punto instalado.
Como se mencionó con anterioridad, este problema está siendo atacado desde elementos de respaldo a los generadores no convencionales, como una solución adicional, este problema puede ser sorteado con la integración de dispositivos inteligentes que realicen la desconexión de los equipos en cuanto se realice la detección de una variación que este por fuera de los límites admisibles. Esto permite de cierta forma la integración de los generadores no convencionales al sistema de potencia.
Paradigma del flujo de corriente en la red. Ahora bien, con el problema de la variación resuelto es posible integrar las fuentes de generación no convencionales al sistema de potencia. Desde grandes azoteas en los centros de las ciudades, elementos no estructurales en el mobiliario urbano, hasta grandes zonas no cultivadas se están convirtiendo en superficies totalmente cubiertas de paneles solares.
En cada una de estas zonas se comenzará a inyectar corriente en estos puntos, ¿la red continuará su operación normalmente? La respuesta es NO, la lógica de la red ha sido diseñada por décadas bajo el paradigma de que las fuentes de energía se encuentran en un lugar alejado (represas, termoeléctricas, etc), del cual se suministra potencia a grandes cargas conectadas en puntos específicos (fabricas, ciudades, etc). Esto quiere decir que la red sigue un esquema de conexión tipo fuente-carga, donde la corriente fluye en un solo sentido. Cuando se integran los generadores de forma distribuida, la corriente comienza a fluir en distintos sentidos, lo que quiere decir que el paradigma bajo el cual se diseñó la red deja de ser cierto, entonces, el diseño se convierte en obsoleto o poco acertado para la realidad.
Lo anterior se traduce en que, elementos muy comunes del sistema de potencia, como las protecciones, las cuales están diseñados para censar corriente en un solo sentido, dejan de cumplir su función, ya que solo censan corriente en un sentido. El caso anterior se repite para los medidores, los cuales no tienen la capacidad de censar la corriente que es aportada por un generador aguas abajo. Finalmente, el punto más preocupante es la red, la integración de elementos que inyecten corriente en la red genera un sobrecalentamiento, el cual genera pérdidas considerables e incrementa el riesgo de fallos en el sistema de potencia.
Para solucionar esta problemática, son cada vez más los estudios de capacidad de alojamiento de generadores distribuidos en diferentes puntos de la red. La información de estos estudios permite definir en qué puntos de la red es posible y adecuado conectar generadores sin afectar el desempeño o seguridad de la red y los usuarios conectados. De entre otros muchos retos, los mencionados con anterioridad han sido aquellos que han supuesto un mayor desafío para los ingenieros encargados de la planificación del sistema de potencia. Han sido muchas las horas de ingeniería que se han dedicado a la solución de estos problemas, por otro lado, la economía y la naturaleza liberal del mercado de la energía han hecho que la mayor parte de estos retos se hayan enfrentado sobre la marcha y en muchas ocasiones obviados.
Esto ha dejado muchos asuntos inconclusos o no completamente terminados, esto se demuestra en eventos como el sucedido en USA en 2017, cuando se presentó el Blue-Cut-Fire, un evento que supuso la salida de operación del 20% de la infraestructura eléctrica de este país. Esto ocurrió debido al principio de funcionamiento de los inversores empleados en los generadores no convencionales, los cuales no tenían completamente solucionado el cálculo de variación de frecuencia entre el generador no convencional y la red. Esta problemática supuso la salida de grandes parques de generación fotovoltaica al sur de los Estados Unidos. Lo anterior nos da una visión de las problemáticas de la integración y el hecho de que, aunque los generadores alternativos son una realidad, es necesario solucionar completamente los retos técnicos para dar garantías a la red y los usuarios.
Referencias:
[1] R. c Dugan, M. F. McGranaghan, S. Santoso, and H. Wayne Beaty, Electric Power Systems Quality, 1st ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2001.
[2] L. R. M. Silva et al., “Gapless Power-Quality Disturbance Recorder,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 32, no. 2, pp. 862–871, 2017.
[3] H. Bevrani, M. Watanabe, and Y. Mitani, Power System Monitoring and Control, vol. 9781118450. Willewy & sons, 2014.
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