En la actualidad la red eléctrica existente cumple con el objetivo de transportar y distribuir a los consumidores la energía generada de forma tradicional y renovable. No obstante, las previsiones indican que en los próximos años habrá un crecimiento moderado de la demanda, un fuerte incremento de la generación distribuida a partir de fuentes renovables y una necesidad de disponer de energía de forma estable y flexible.
Todo esto está provocando que aparezca un nuevo concepto de red eléctrica inteligente o Smart Grid, que permitirá integrar de forma inteligente el comportamiento y las acciones de todos los sistemas conectados a ella (generadores, consumidores y quienes realicen ambas acciones) para proporcionar un suministro de energía eléctrica de forma segura, económica y sostenible. Según la Wikipedia una Smart Grid se puede definir como la integración dinámica de los desarrollos en ingeniería eléctrica y los avances de las tecnologías de la información y comunicación (o TIC), dentro del negocio de la energía eléctrica (generación, transmisión, distribución y comercialización, incluyendo las energías alternativas); permitiendo que las áreas de coordinación de protecciones, control, instrumentación, medida, calidad y administración de energía, etc., sean concatenadas en un solo sistema de gestión con el objetivo primordial de realizar un uso eficiente y racional de la energía. Una Smart Grid utiliza sensores, actuadores y sistemas de comunicación y control para mejorar en todos los aspectos las funcionalidades del sistema eléctrico convirtiéndolo en un sistema inteligente que se ajusta a las variaciones que puedan surgir durante su funcionamiento. Mediante este tipo de redes se reducirán de forma considerable las pérdidas debidas al transporte de energía, se facilitará la integración en la red de los diferentes tipos de energías renovables y sistemas de almacenamiento energético y se permitirá la conexión multitudinaria de vehículos eléctricos garantizando en todo momento un correcto funcionamiento del sistema.
En la Figura 1 se muestra un conjunto de generadores distribuidos (GD), de sistemas de almacenamiento energético y de cargas conectados entre ellos formando una red local y a la vez conectados a la red eléctrica. Este conjunto de sistemas gestionados de forma inteligente constituyen una Smart Grid la cual puede funcionar en modo aislado (en caso de fallo de la red eléctrica) o como parte de una red eléctrica mayor formada por un conjunto de Smart Grids interconectadas entre ellas.
Las Smart Grids, además de dar respuesta a las necesidades planteadas anteriormente, también deberán afrontar la problemática que supone para su funcionamiento la distorsión armónica, el desfase y los desequilibrios, provocados por las diferentes cargas conectadas a dicha red. El aumento experimentado en los últimos años de las cargas no lineales conectadas a la red ha provocado a su vez un aumento de la distorsión armónica que junto con los desequilibrios y el consumo de reactiva se ha traducido en un empeoramiento de la calidad eléctrica y de la eficiencia energética, así como un aumento en la dificultad para controlar la red. La aparición de estos fenómenos en las Smart Grids provocarán los mismos efectos que en el caso de la red eléctrica actual. Sin embargo, desde el punto de vista de control estos efectos tendrán un mayor impacto en el funcionamiento de la Smart Grid durante el modo aislado que en el caso de la red, debido a que la Smart Grid durante el modo aislado se convierte en una red más “débil” frente a perturbaciones que en el caso de estar interconectada con las demás redes formando una única red.
En la actualidad para compensar los diferentes fenómenos no eficientes (desfase, desequilibrio y distorsión) presentes en la red eléctrica, se ha propuesto la utilización de sistemas de compensación activa (SAPC) que se encargan de reducir estos fenómenos de forma conjunta (compensadores totales) o por separado (compensadores selectivos). Los SAPCs se comportan como fuentes controladas de corriente que, conectados en paralelo con la carga, generan a su salida las corrientes necesarias para compensar el desequilibrio, el desfase y la distorsión armónica de dicha carga, evitando así que las corrientes provocadas por estos fenómenos circulen por la red (Figura 2). Durante su funcionamiento, el SAPC demanda de la red la potencia necesaria para mantener la tensión del bus de continua en el valor de referencia y compensar las pérdidas de potencia en el inversor. El control mide las corrientes de carga y a partir de ellas obtiene las corrientes de referencia necesarias para que el SAPC genere a la salida las corrientes de compensación.
Como se puede observar en la Figura 2 la estructura del SAPC corresponde a la de un convertidor electrónico DC/AC bidireccional como el utilizado por un gran número de generadores distribuidos basados energías renovables. Gracias a la flexibilidad topológica de estos equipos, los convertidores permiten, en ausencia del recurso primario de la fuente renovable (viento, sol, etc), su potencial uso para controlar no solo la potencia activa sino también la reactiva. En este sentido países como Alemania, Sudáfrica, o Japón, ya han establecido una normativa en la cual se obliga, entre otras, a las instalaciones como las fotovoltaicas a trabajar controlando la reactiva inyectada en todo momento dando soporte en el control de la tensión en la red al operador del sistema.
Teniendo en cuenta la capacidad que tienen los inversores para generar a su salida señales de corriente o tensión con unas determinadas características de amplitud, frecuencia, fase, distorsión armónica (THD), etc… resulta posible utilizar los convertidores electrónicos de los GD como compensadores activos de tipo paralelo (SAPCs), para controlar no solo la reactiva (desfase), sino también para compensar los citados fenómenos de desequilibrios y la distorsión armónica en las Smart Grids de las que formen parte.
El funcionamiento de los generadores distribuidos como SAPCs en la Smart Grid estará determinado por la existencia o no de recurso primario (viento, sol, etc.) y la necesidad de eliminar las ineficiencias (desequilibrio, desfase y distorsión) en dicha red. En el caso de no disponer de recurso primario y ante la necesidad de reducir una determinada ineficiencia o combinación de ellas, el GD pasa a funcionar como un SAPC. Tal y como se ha comentado, durante este modo de funcionamiento, el SAPC absorberá de la Smart Grid la energía necesaria para mantener la tensión del bus de continua y generará a su salida las corrientes para compensar las diferentes ineficiencias de la carga.
En el caso de disponer de energía primaria para inyectar en la red en forma de potencia activa (viento, sol, etc), el sistema trabajaría como un sistema de Generación Compensación (GD+SAPC), en donde la energía proporcionada por las placas fotovoltaicas, generador eólico, etc, sería inyectada a las redes y, utilizaría el rango de potencia no utilizado para la activa, para compensar una determinada ineficiencia o combinación de ellas (Figura 3), hasta alcanzar la potencia máxima de dicho inversor. Durante este modo de funcionamiento, la energía para mantener la tensión del bus de continua y compensar las pérdidas de potencia tanto del bus de continua como del propio inversor sería proporcionada por las fuentes renovables.
Por otro lado, para un mejor aprovechamiento de las fuentes renovables a la vez que para un mejor control de las Smart Grids, resulta conveniente disponer de sistemas que permitan almacenar energía durante los excesos de producción y cederla a la red durante los picos de consumo. Así mismo estos sistemas de almacenamiento también se utilizan como sistemas de amortiguamiento energético durante los transitorios de conexión y desconexión de la red (paso del modo conectado al aislado y viceversa) de las Smart Grids, así como durante su funcionamiento en régimen estacionario.
Generalmente, se suelen utilizar diferentes sistemas de almacenamiento energético (baterías, supercondensadores, volantes de inercia, etc.) conectados a red mediante un inversor. Cada uno de estos sistemas presenta sus ventajas e inconvenientes desde el punto de vista de capacidad de almacenamiento, número de ciclos de carga y descarga, velocidad de respuesta, etc. lo que provoca que habitualmente se busque una combinación de diferentes sistemas de almacenamiento para conseguir un adecuado funcionamiento de la Smart Grid.
Además de estos sistemas de almacenamiento energético, la aparición del vehículo eléctrico y sus sistemas de carga ha supuesto la conexión a la Smart Grid de nuevos sistemas para almacenar energía (Figura 4). Todos los vehículos eléctricos conectados a las Smart Grids durante las operaciones de carga de sus baterías se convierten junto con los sistemas “clásicos” de almacenamiento en nuevos sistemas de almacenamiento energético al servicio de dicha red. Para que esto sea posible resulta necesario que el convertidor electrónico utilizado para controlar la carga de sus baterías sea bidireccional, pudiendo así almacenar o generar energía desde o hacia la Smart Grid, dependiendo de las necesidades de ésta. En los últimos años han aparecido diferentes proyectos (Grid for Vehicles, Eurelectric, V2G, etc) para desarrollar este tipo de cargadores y facilitar de este modo la integración del vehículo eléctrico como sistema de almacenamiento en la red eléctrica, colaborando en cierto modo en la consolidación del paradigma Smart Grid.
Al igual que en el caso de los GD, los cargadores de vehículos y los sistemas de almacenamiento “clásicos” que integren convertidores electrónicos bidireccionales pueden ser utilizados como sistemas de compensación activos tanto durante el modo de operación normal (carga/descarga), como durante los momentos de reposo en los cuales no se está transfiriendo energía entre el sistema de almacenamiento y la red. Con ello se consigue que estos sistemas tengan un papel más activo en el funcionamiento de la Smart Grid y, a la vez, se aproveche al máximo las posibilidades de los mismos. En este sentido, en la actualidad ya hay diferentes trabajos científicos que proponen la utilización de los cargadores de los vehículos eléctricos como sistemas de compensación de ineficiencias (SAPCs).
Finalmente, como resumen decir que las Smart Grids se presentan como una evolución del sistema eléctrico actual hacia un sistema que permita gestionar de forma inteligente los diferentes generadores, consumidores y los que realizan ambas acciones, conectados a dicho sistema. Las Smart Grids permitirán reducir las pérdidas energéticas por el transporte de energía, facilitarán la integración de las energías renovables y del vehículo eléctrico, así como la conexión de los sistemas de almacenamiento energético, garantizando en todo momento un adecuado funcionamiento de la propia red. Además de realizar las acciones anteriores, dichas redes deberán afrontar durante su funcionamiento los efectos producidos por el desequilibrio, el desfase y la distorsión armónica provocados por las diferentes cargas conectadas a dicha red. Para ello las Smart Grids podrán utilizar la capacidad que tienen los convertidores electrónicos que integran la mayoría de los GD basados en fuentes renovables para funcionar como SAPCs para compensar cada uno de estos fenómenos no eficientes. De esta forma se mejorará la calidad eléctrica, la eficiencia energética y el control de las Smart Grids sin necesidad de conectar equipos adicionales a dicha red y, a la vez, se conseguirá un mayor aprovechamiento de los propios convertidores electrónicos.
Autores:
Jose Carlos Alfonso Gil, Universitat Jaume I de Castelló http://ujiapps.uji.es
