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ENERGÍA. La turbinas eólicas, bien configuradas, podrían proporcionar estabilidad a la red: proyecto WindVSG

 


La investigación en NREL , en colaboración con GE , ha llevado a una demostración de turbinas eólicas comunes en "modo de formación de red" . Lograron establecer el voltaje y la frecuencia de la red , operando sin energía de la red eléctrica más amplia. Abre la puerta a reducir la dependencia de fuentes convencionales de estabilidad como generadores de carbón o gas

La conocida debilidad de la energía eólica es su variabilidad y, por lo tanto, su necesidad de contar con el apoyo de proveedores tradicionales de carga de base como las plantas de combustibles fósiles y la nuclear. Superar esta debilidad podría convertir los servicios de red en una nueva oportunidad de mercado para la energía eólica e incluso la solar.

En un hito para la integración de energías renovables, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y su socio General Electric (GE) han operado una clase común de turbinas eólicas en el modo de formación de red , que es cuando el generador puede establecer el voltaje y la frecuencia de la red y, si es necesario, operar sin energía de la red eléctrica.

La demostración mostró que la popular tecnología de turbina tipo 3 puede proporcionar estabilidad fundamental a la red eléctrica a granelLos controles de formación de rejilla de GE permiten que la turbina compense menos fuentes convencionales de estabilidad en la red, como los generadores de carbón o gas natural, además de superar un problema bien conocido con las oscilaciones eléctricas, en las que las fluctuaciones de voltaje se amplifican y ocasionalmente provocan cortes en las centrales eléctricas.

Estabilizando la red con "WindVSG"

Esta demostración de dispositivo real es la primera de varias en el proyecto de la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía "El viento como generador síncrono virtual (WindVSG)", que tiene como objetivo investigar los controles de inversores de viento y almacenamiento que imitan electrónicamente las características estabilizadoras de los generadores convencionales. Durante los últimos tres años, NREL ha estado trabajando para lograr ese objetivo  caracterizando dispositivos , diseñando controles y  simulando la operaciónEl laboratorio ahora está probando los principios de formación de redes en dispositivos reales en un entorno de red eléctrica de réplica.

Los ingenieros de NREL han demostrado que una variedad común de turbinas eólicas puede brindar los mismos servicios subyacentes de estabilidad de voltaje y frecuencia que a menudo brindan las plantas de energía de combustibles fósiles. Este es otro ejemplo de cómo los recursos energéticos basados ​​en inversores, como la eólica y la solar, pueden desempeñar un papel más amplio en los sistemas de energía del futuro.

Servicios para la estabilidad

Dado que las energías renovables representan una mayor parte del suministro de energía, también deberán asumir una  mayor parte de responsabilidad como administradores de la estabilidad de la redEsa responsabilidad incluye la capacidad de reiniciar la energía después de un corte , de reestabilizarse después de un evento eléctrico transitorio y, en general, de “formar” la red como recursos de energía de referencia

Los grandes  generadores giratorios tradicionalmente han respaldado una frecuencia y voltaje de red establesAhora, los recursos basados ​​en inversores, como el viento, la energía solar y las baterías, se están preparando para ese papel en varios proyectos del DOE, incluido el  Consorcio Grid Forming Inverter, que compartirá hallazgos y objetivos de investigación entre la industria y los socios comunitarios.

Aerogenerador de 1,5 MW tipo 3

En la demostración de WindVSG, un equipo de NREL-GE creó controles para una turbina eólica tipo 3 de 1,5 MW para proporcionar soporte de voltaje y frecuencia primaria y restablecer la red circundante ajustando su potencia en respuesta a anomalías eléctricas momentáneas

Las turbinas de tipo 3 son un caso especialmente complejo para desarrollar controles de formación de rejillas. Estas turbinas utilizan un generador que está conectado directamente a la red, con la producción de electricidad de las turbinas modulada por componentes electrónicos de potencia. Para comprender completamente esta complejidad, NREL desarrolló un modelo de detalle completo de la electrodinámica de la turbina, con la  ayuda de un conjunto de herramientas personalizado desarrollado por el equipo de investigación de NREL .

En el modo de formación de red , las turbinas de tipo 3 pueden suprimir un modo de oscilación que ha demostrado ser perjudicial en los sistemas de energía reales. En esta simulación, la oscilación, que es causada por la interacción con ciertas líneas de transmisión, comienza a los 35 segundos y se muestra inestable en el modo de seguimiento de cuadrícula (arriba), mientras que está silenciada en el modo de formación de cuadrícula (abajo).

Modelado del "modo de formación de cuadrículas"

NREL encendió la turbina de formación de red utilizando la  plataforma de Investigación avanzada en sistemas integrados de energía (ARIES) , que permite validación a escala en un entorno de cuadrícula de réplicaUn dinamómetro de investigación de 5 MW sirvió como motor principal en el sistema de energía simulado, lo que permitió a los investigadores emular diferentes dinámicas de red y observar el rendimiento de la turbina .

El equipo descubrió que en condiciones de red "débil", cuando hay pocos generadores convencionales, como plantas de energía térmica, la turbina es excepcional para agregar estabilidadSin embargo, en redes “fuertes” con un mayor número de generadores convencionales, la turbina formadora de redes podría desarrollar una dinámica inestable por sí misma. Por lo general, ese no es el caso de los controles de seguimiento de la red, que acompañan a la mayoría de los dispositivos de energía no convencionales como las plantas solares y los sistemas de almacenamiento de baterías y, por lo general, producen energía que sigue de cerca la frecuencia y el voltaje de la red del sistema eléctrico más grande.

En este trabajo, se ha descubierto que la turbina de formación de red sirve para la estabilidad subyacente en los casos en que se necesita: como una fuente de energía independiente en un sistema pequeño o en sistemas con muchos recursos basados ​​en inversores y pocas formas convencionales de estabilidad. La plataforma ARIES hace posible esta investigación al ajustar las condiciones que experimentarán estas turbinas en un sistema activo, pero dentro de la seguridad de un entorno controlado.

Los investigadores también encontraron que los controles de formación de la red previenen cierta oscilación eléctrica peligrosa que es lo suficientemente severa como para haber causado apagones reales en el sistema . Los resultados de esta investigación muestran que el modo de formación de cuadrículas reduce efectivamente esa probabilidad. Este es un resultado importante para las centrales eólicas de todo el mundo que dependen de turbinas de tipo 3 para una proporción significativa de su capacidad.

Más investigación

Aunque es un gran paso adelante para los recursos renovables que forman la red, esta demostración también indica nuevas direcciones para la investigaciónDentro del proyecto WindVSG, el equipo de investigación continuará estudiando cómo la turbina que forma la red interactúa con otros dispositivos en el sistema eléctrico.si el modo de formación de red da como resultado una mayor tensión mecánica en la turbina y cómo la turbina puede garantizar la estabilidad incluso en escenarios de red fuerteOtras demostraciones también validarán la turbina formadora de red cuando se desconecte de la red eléctrica.

Para flotas de turbinas eólicas y otros recursos como energía solar fotovoltaica y almacenamiento de baterías, controles de formación de redes podría abrir una nueva oportunidad de mercado en forma de servicios de redes decir, la estabilidad de la red como otra corriente de valor de los recursos renovables. Con esta demostración, NREL ha validado un enfoque más para que los activos renovables proporcionen una estabilidad avanzada. Y con la plataforma ARIES, NREL puede ayudar a los socios a demostrar esta estabilidad de origen renovable en sus propios sistemas.

Obtenga más información sobre  la investigación de integración de la red eólica en NREL .

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