El centro tecnológico Circe ha obtenido recientemente la patente de un algoritmo de selección de fase en falta multicriterio que logra mejorar hasta niveles cercanos al 100% de efectividad el funcionamiento de la protección de distancia en redes con penetración renovable. Este desarrollo se ha obtenido tras cuatro años de trabajo en el marco del proyecto europeo Migrate, cuyo objetivo ha sido encontrar soluciones para los desafíos tecnológicos a los que se enfrenta la red eléctrica en la actualidad y especialmente en el futuro.
Migrate (Massive integration of power electronic devices) es un proyecto de investigación financiado por la Comisión Europea a través del programa Horizonte 2020 con cerca de 17 millones de euros, finalizado en diciembre de 2019. Coordinado por el operador del sistema de transporte eléctrico alemán Tennet, en el proyecto han participado 25 socios de diferentes países de Europa.
El proyecto ha abordado distintos enfoques para resolver problemas técnicos clave relacionados con la estabilidad de la red, la calidad del suministro, y el control y la seguridad del suministro, que surgen debido al desafío que plantea el uso cada vez mayor de fuentes de alimentación de energía renovable.
Electrónica de potencia
Se ha analizado cuánta electrónica de potencia puede soportar la red ya que, en el futuro, la red eléctrica europea integrada se enfrentará a nuevos desafíos debido a las grandes cantidades de electricidad que suministran las fuentes eólicas y solares. Tanto la producción de electricidad, por un lado, debido a la creciente participación de las energías renovables, como el consumo, por otro lado, a causa de la implementación de sistemas de eficiencia energética, estarán cada vez más vinculados a la red eléctrica a través de la electrónica de potencia.
Esto provocará crecientes problemas de estabilidad dinámica para el sistema eléctrico, así como la necesidad de actualizar los esquemas de protección existentes y medidas para mitigar la degradación resultante de la calidad de la energía debido al transporte de armónicos.
Se trata de efectos que plantean retos técnicos, en particular para los operadores de red en relación con la gestión de la red eléctrica. Por ello, los TSO europeos de Estonia, Finlandia, Francia, Alemania, Islandia, Irlanda, Italia, Países Bajos, Eslovenia, España y Reino Unido se han unido para abordar estos desafíos con fabricantes (Alstom, Enercon, Schneider Electric) y universidades y centros de investigación. Proponen soluciones innovadoras para ajustar progresivamente las operaciones del sistema HVAC.
Los integrantes españoles del consorcio de Migrate han sido Circe y Red Eléctrica de España que, junto con Schneider Electric, la Universidad de Delft y la Universidad de Manchester han trabajado en el análisis sobre cómo la penetración de renovables puede afectar al funcionamiento de las protecciones frente a cortocircuitos.
Ensayos en laboratorio
Desde Circe explican que las protecciones actuales se encuentran diseñadas para actuar ante cortocircuitos donde la aportación de la corriente de falta provenga de generación síncrona, la cual se corresponde con una elevada o muy elevada intensidad. Sin embargo, esta intensidad de cortocircuito se reduce drásticamente cuando la aportación es procedente de fuentes de energía renovable basadas en electrónica de potencia.
Por ello, dentro del proyecto Migrate, Circe ha estudiado en su laboratorio de simulación en tiempo real RTDS (Real-Time Digital Simulator) el efecto de la intensidad de cortocircuito procedente de fuentes de energías renovables en las protecciones actuales, estudiando dos equipos de protección comerciales y analizando el comportamiento de las funciones de distancia y sus esquemas de comunicación, diferencial de línea y sobreintensidad direccional de línea. Mientras que en paralelo la Universidad de Delft ha realizado las mismas pruebas sobre otros dos fabricantes de protecciones comerciales con el objetivo de estudiar un total de cuatro fabricantes.
Desarrollo de algoritmo
Durante estos ensayos se observaron problemas de detección principalmente para la función de distancia debido a malas actuaciones de los selectores de fases en falta, los detectores de direccionalidad y la medida de impedancia. Estos errores justificaban dentro del proyecto realizar un desarrollo de algoritmo que corrigiera el comportamiento observado en los sistemas de protección.
El algoritmo fue desarrollado en Circe e implementado en una protección comercial de Schneider Electric (modelo P544) para la realización de prueba de concepto durante el proyecto. El resultado de la prueba de este algoritmo, cargado en la protección MICOM P544 vía actualización de firmware, fue satisfactorio para la actuación de la función de distancia tanto ante un escenario de penetración de renovables como de generación síncrona convencional (basado en las pruebas funcionales de la norma IEC-60255:121).
La protección de la red
En base a todo ello, el proyecto Migrate ha arrojado varias conclusiones como la necesidad de revisar la filosofía y criterio de protección de la red para asegurar una transición hacia un sistema de potencia con alta penetración de electrónica de potencia y energías renovables o la necesidad de definir requisitos claros para el comportamiento de la electrónica de potencia durante faltas equilibradas y desequilibradas.
Otras de las conclusiones destacadas por Circe en el marco del proyecto es que los sistemas de protección actuales son fiables en escenarios con generación síncrona puesto que, en caso de cortocircuito, el comportamiento del sistema ante perturbaciones resulta predecible y los valores de tensión e intensidad ante dichos eventos conocidos y la magnitud de intensidad muy elevada.
Sin embargo, en el nuevo escenario con alta penetración de renovable, los sistemas de control de la electrónica de potencia poseen una elevada influencia sobre la respuesta del sistema y las tensiones e intensidades que se producen durante un cortocircuito. De esta manera, para tener un fiable y predecible comportamiento del sistema, deben definirse requisitos a estos generadores renovables. Por todo ello, el proyecto considera necesario definir criterios para la verificación del cumplimiento de estos requisitos por parte de los generadores basados en electrónica de potencia.
Conclusiones y recomendaciones
Entre las recomendaciones del proyecto, Migrate insta a los TSO a hacer uso de sus datos de sincronismo y a explorar las posibilidades de los controles de área amplia dentro de sus redes. Entre otras cuestiones, también recomiendan continuar con el análisis en profundidad de cómo la aplicación de técnicas de IA en la planificación y el funcionamiento de la red pueden facilitar la integración masiva de electrónica de potencia, así como explorar más las posibilidades de cómo se puede monitorear su penetración usando mediciones en línea en tiempo real de las señales típicamente disponibles del sistema de energía.
Tras cuatro años de trabajo, desde el proyecto Migrate destacan que han desarrollado soluciones para aumentar la cuota de electrónica de potencia en la red de alrededor del 30% en 2016 a un potencial del 90%, y han propuesto nuevos conceptos para habilitar una red 100% RES.
Migrate ha investigado las diferentes dimensiones de la estabilidad del sistema eléctrico, cómo puede ser medido, monitoreado y pronosticado. Desde la perspectiva actual, ha evaluado la cuota máxima de electrónica de potencia en un sistema de energía antes de que se requieran medidas de mitigación para mantener la estabilidad del sistema, así como ha mostrado que existe un camino técnicamente viable hacia redes 100% PE estables.