Los generadores de energía tradicionales a gran escala garantizan una frecuencia estable de corriente alterna en la red eléctrica europea. Ahora, los investigadores de ETH Zurich han encontrado una solución para que las plantas de energía eólica y solar puedan hacerse cargo de – allanando el camino para la transición energética.
En resumen
- Las centrales eléctricas tradicionales están siendo sustituidas cada vez más por plantas de energía eólica y solar, pero eso significa que la red eléctrica carece de un marcapasos estable.
- Investigadores de la ETH de Zúrich están desarrollando un sistema de control para convertidores de energía que permanece estable y apoya a la red incluso en caso de fallos en la misma.
- La solución se basa en un algoritmo que estabiliza activamente la frecuencia de la red en caso de fallo y, al mismo tiempo, limita la corriente.
En el futuro, Europa se alimentará predominantemente de energías renovables. La expansión de la capacidad eólica y solar, y el suministro de energía suficiente en invierno, son solo dos de los desafíos que esto presenta. El público en general desconoce en gran medida los cambios fundamentales que esto conlleva en la red eléctrica: mientras que los generadores de las centrales eléctricas tradicionales a gran escala (es decir, hidroeléctricas, de carbón y nucleares) antes mantenían la red estable con sus mecanismos simples y lentos, ahora se necesitan convertidores controlados electrónicamente. Proteger estos convertidores de fallos de la red, como caídas de tensión y cortocircuitos, no es tarea fácil. Ahora, el grupo dirigido por Florian Dörfler, profesor de Control de Sistemas Complejos en la ETH de Zúrich, ha aportado una solución.
En primer lugar, es importante saber que la electricidad que circula por las redes eléctricas europeas se basa en tecnología de corriente alterna, lo que significa que la dirección de la corriente se invierte cada centésima de segundo. Esta frecuencia la establecen los generadores de las grandes centrales eléctricas, que se sincronizan entre sí a través de la red.
Por otro lado, las centrales eólicas y solares producen corriente continua, que debe ser convertida en corriente alterna mediante convertidores. Los convertidores actuales se adaptan a la frecuencia de la red e inyectan su energía sincronizada con ella. Este enfoque funciona mientras haya suficientes centrales eléctricas grandes con turbinas operando en la red. Sin embargo, si un número creciente de centrales eléctricas de carbón y nucleares dejan de funcionar en el futuro, estos generadores de sincronización se perderán y será necesario reemplazarlos.
“Solo es posible adaptarse a una frecuencia si ya se ha establecido una previamente”.Florian Dörfler
Mecanismo de protección radical
En el futuro, se necesitarán convertidores de red, es decir, convertidores que no se limiten a seguir una frecuencia, como ocurre actualmente, sino que contribuyan activamente a estabilizarla. Hasta ahora, los ingenieros no contaban con una solución viable para que estos convertidores de red pudieran seguir funcionando en caso de cortocircuito o caída de tensión en la red eléctrica, a la vez que estuvieran protegidos contra sobrecargas.
Los convertidores actuales cuentan con un mecanismo de protección que garantiza su desconexión de la red en caso de fallo. Esta protección es necesaria porque, si se produjera una caída de tensión importante en la red eléctrica, el convertidor intentaría compensar la falta inyectando una corriente elevada. Esto sobrecargaría el convertidor y lo dañaría irreparablemente en cuestión de milisegundos.
Gracias a nuevos algoritmos de control inteligente, el grupo de Dörfler ha logrado que los convertidores de red sigan funcionando incluso en caso de fallo de la red. Ya no es necesario un apagado riguroso. Este enfoque permite que una planta eólica o solar permanezca en línea, siga suministrando energía y, por lo tanto, contribuya a estabilizar la frecuencia de la red incluso en caso de fallo. De esta manera, el sistema puede asumir la función que actualmente desempeñan los generadores de energía tradicionales a gran escala.
El controlador del convertidor mide continuamente los parámetros de la red y lo ajusta en tiempo real mediante un bucle de retroalimentación. La ETH de Zúrich ha solicitado una patente para los nuevos algoritmos.
Tesis de maestría en la industria
La idea inicial surgió de Maitraya Desai, estudiante de maestría de Dörfler y actual doctorado en la ETH. Desai se dio cuenta de que, en caso de fallos en la red, es mejor gestionar la tensión de la red y la frecuencia de la corriente alterna por separado. Dado que es difícil mantener la tensión en caso de fallo en la red, el nuevo algoritmo de control se centra en la frecuencia e intenta mantenerla estable en la red en cualquier circunstancia. Al mismo tiempo, el algoritmo limita la corriente para evitar sobrecargar el convertidor, permitiendo al mismo tiempo que la tensión varíe libremente.
Tras realizar los cálculos, los investigadores de la ETH los comprobaron en simulaciones por ordenador y, finalmente, en un pequeño sistema de prueba en el laboratorio. Dado que las mejoras se limitan exclusivamente al software, no es necesario que la industria construya sistemas de demostración. En su lugar, puede incorporar los algoritmos directamente en su software de control. Dörfler planea colaborar estrechamente con socios industriales interesados para este fin. Por ejemplo, el objetivo es que los estudiantes de la ETH realicen sus tesis de máster en empresas industriales, contribuyendo así a la implementación del nuevo enfoque en los productos de sus socios.
“Nosotros y otros llevamos 15 años investigando este campo”, afirma Dörfler. “Nuestro enfoque es actualmente la mejor solución para el problema”. Los nuevos algoritmos contribuyen a la estabilidad de la red eléctrica, reducen el riesgo de apagones y allanan el camino para la transición de grandes generadores de energía centralizados a un sistema descentralizado y flexible de centrales eléctricas más pequeñas que suministran energía renovable. Por consiguiente, podrían representar un elemento clave en la transición energética. ETH Zürich. F. B. Traducido al español
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