Regular altibajos para una mayor conexión de renovables a la red

Muchos países tienen importantes objetivos de aumentar la generación eléctrica con fuentes renovables; las energías eólica y solar son las preferidas. Este cambio de la generación tradicional centralizada a la generación local descentralizada afecta las condiciones de las redes eléctricas. Las redes de distribución no sólo sufren caídas de tensión debido a las cargas, sino aumentos debidos a la generación local, lo que causa grandes variaciones de tensión, problemas que deben atenderse

Por Martin Carlen, Adam Slupinski y Frank Cornelius

A finales de 2014, se instaló en Alemania una capacidad de generación total de unos 195 GW. La generación eólica y la fotovoltaica (FV) contribuyeron con 38 GW cada una, lo que representa cerca de 20 % del total. Durante los fines de semana soleados y ventosos, hasta 80 % de la electricidad procede de recursos renovables. El objetivo de Alemania es aumentar la cuota de renovables en la combinación de fuentes de electricidad del 27 % actual hasta 50 %, en 2030, y 80 %, en 2050.

Gracias a la decisión de emprender la Energiewende (transición energética), Alemania está muy avanzada en la conversión de generación tradicional a renovables, pero muchos otros países están siguiendo sus pasos. A escala internacional, China es líder en inversiones en renovables, y la capacidad de este tipo de generación ya sobrepasa la nuclear y de combustibles fósiles. En Estados Unidos, varios estados han aprobado objetivos obligatorios de porcentaje de generación renovable: Nueva York con 30 % en 2015 y California con 33 % para 2020. A finales de 2014 las instalaciones globales de generación eólica superaban los 350 GW y la generación FV superaba los 180.

A diferencia de las grandes centrales eléctricas centralizadas, muchos generadores de energía renovable alimentan la red de distribución local, bien a baja tensión (BT), principalmente con energía FV, o bien a media tensión (MT), en el caso de la generación eólica. Las redes de distribución tradicionales están diseñadas para satisfacer necesidades de energía y cargas actuales y previsibles de consumidores conectados, pero no para la alimentación descentralizada, a veces mucho mayor que la carga.

La generación eólica o FV puede superar rápidamente dos o tres veces la carga planificada y llegar a ser incluso 10 veces mayor, especialmente en zonas rurales. En lugar de una caída de tensión a lo largo de la línea desde el transformador hasta el consumidor, se produce un aumento de tensión cerca del productor. En muchos casos, la capacidad de transporte de corriente del cable o de la línea del tendido aéreo no es un valor limitante, y la línea no tiene una limitación térmica; sin embargo, dado que la generación es mayor que la carga, el aumento de tensión puede ser muy pronunciado y superar el margen permitido. Esto puede obligar a desconectar el generador.

Hay diferentes soluciones al problema del aumento de tensión, como la ampliación de la red, la instalación de un regulador de tensión o el uso de energía reactiva. La solución más rentable depende de cada caso.

Requisitos europeos en tensión de la red
La norma europea EN 50160 establece los requisitos de tensión en redes de distribución públicas. En condiciones operativas normales, la tensión en el lugar del cliente tiene que estar dentro de un margen de ± 10 % de la tensión nominal Un. En otras regiones, las exigencias pueden ser incluso más estrictas. En Estados Unidos, por ejemplo, la norma ANSI C84.1 exige a la compañía eléctrica suministrar la electricidad en la entrada de servicio del edificio en un margen de ± 5 % para BT y de -2.5 a +5 % para MT.

Sin embargo, al analizar en detalle los métodos actuales de diseño de redes de distribución, los diferentes niveles de tensión están muy bien integrados y los niveles de red individuales no tienen todo el ancho de banda de tensión disponible. El último transformador capaz de ajustar la tensión es el transformador de subestación AT / MT de alta tensión. El ancho de banda de tensión total debe distribuirse entre las redes de MT y BT correspondientes. Esto genera una reducción de la tensión disponible y un aumento de tensión causado por la generación local.

En la Imagen 1, el ancho de banda de tensión de ± 10 % se distribuye equitativamente entre las redes de MT y BT. Para hacer frente a las diferentes condiciones en líneas de alimentación individuales, el ingeniero de diseño de la red tiene que haber definido valores fijos. En este caso, se atribuye a cada nivel de la red ± 5 % del ancho de banda de tensión. La tensión también se puede distribuir asimétricamente entre los niveles de la red. En Alemania, la red de BT sólo alcanza +3 % para el aumento de tensión. Esto limita muy rápidamente la cantidad de energía eléctrica que se puede suministrar a la red de BT.

La caída de tensión en un cable de cobre normal con una sección transversal de 50 mm² causada por la intensidad, correspondiente a una energía eléctrica de transporte de 120 kVA a 400 V, alcanza 3 % después de 45 m.

Recalibración de la tensión
Utilizando un regulador de tensión de línea (LVR), la gama de tensiones disponible aumenta sensiblemente y se puede suministrar energía adicional a la red sin superar la gama de tensiones permitida. Un LVR puede ajustar o “recalibrar” el nivel de tensión en la parte de la red posterior al LVR (ver Imagen 2). En este ejemplo, un generador se sitúa al final de una línea de BT; sin un LVR, la tensión supera el margen permitido.

Un LVR puede instalarse en cualquier lugar de la red. Dependiendo de si la instalación se hace en una línea de alimentación individual o en un bus con varias líneas, sólo se regula la tensión de una línea de alimentación o de todas. Los ajustes de tensión realizados por el cambiador de tomas del transformador de AT / MT influyen en todas las redes de MT y BT en el lado del secundario, aunque la caída y el aumento de la tensión pueden ser muy diferentes en las líneas de alimentación individuales. Lo mismo ocurre en el caso de los transformadores de distribución regulada, en los que los ajustes de tensión también influyen en toda la red de BT. En el caso de una línea de alimentación con gran potencia de generación, el LVR la desconecta del resto de la red. La reducción de la tensión permite aumentar la capacidad disponible dentro del margen de tensiones admisible (ver imagen 3).

Modo de funcionamiento de un LVR
Un LVR crea una tensión adicional que se superpone a la tensión de línea U existente. Esta tensión adicional se acopla a través de un transformador amplificador y puede ser aditiva o sustractiva. En la Imagen 4, un suministro de tensión variable, alimentado por la propia línea, crea una tensión URB, que se transporta como UB en la línea y entrega una tensión regulada UR = UL ± UB.

Como fuente de tensión variable se utiliza un transformador con un cambiador de tomas en carga (OLTC); esto permite al transformador cambiar la tensión por pasos en ± 10 %. El OLTC tiene una configuración lineal, utiliza conmutadores mecánicos e introduce resistencia en el desviador. Los conmutadores del OLTC admiten hasta tres millones de maniobras mecánicas sin necesidad de mantenimiento.

Se utilizan transformadores tipo seco con tecnología RESIBLOC, cuyos componentes están exentos de aceite y de riesgo de incendio o explosión. Dichos transformadores son especialmente adecuados para esta aplicación, ya que tienen una alta eficiencia energética, ofrecen alta flexibilidad para proporcionar cualquier configuración de tomas, son muy estables desde el punto de vista mecánico, no son sensibles a cambios rápidos de carga o temperatura y soportan temperaturas de hasta -60 °C.

Cierto tipo de LVR no crea separación galvánica en la línea regulada e introduce una impedancia adicional mínima. Por otro lado, el circuito de alimentación de tensión variable está separado galvánicamente de la línea. Esta característica hace que el LVR sea igualmente adecuado para usar en redes aisladas, con tierra directa o de impedancia con tierra.

El LVR incorpora conmutadores de desconexión o de tierra en los lados de entrada y salida, sensores para la medición de la tensión y la intensidad y un conmutador de derivación, que permite una derivación completa del LVR. El mismo principio funcional se utiliza para BT y MT.

Instalación de un LVR de MT
Westnetz es una filial de RWE Germany y el principal operador de sistemas de distribución de la parte occidental de Alemania. Una de sus redes de MT de 20 kV en la región de Eiffel dispone de más de 200 generadores conectados (FV, biomasa, minihidroeléctricas) que en conjunto producen más de 5 MW. La red actualmente mide 26 km y se prevé una ampliación de las fuentes renovables en los próximos años.

Un estudio de la red demostró que ni la regulación activa del transformador AT / MT ni el uso generalizado de transformadores de distribución regulados (más de 60 transformadores MT / BT) podían resolver el problema del aumento de tensión. En vista ello, Westnetz decidió utilizar un LVR de MT (ver Imagen 5), que se instaló a una distancia de 10 km del transformador de AT / MT. Esta solución resultó mucho más barata que una actualización de la red; además, los cables existentes tienen una capacidad de transporte de corriente superior y no son un factor limitante. La instalación completa, incluidas la planificación y la expedición de los permisos, se realizó en pocos meses, mucho menos del tiempo necesario para una ampliación de la red.

El LVR puede ajustar la tensión de la electricidad transportada de hasta 8 MVA en ± 10 %; la regulación de la tensión se realiza en pasos del 2 %. El LVR tiene una alta capacidad de cortocircuito y la regulación de tensión es automática; se conecta mediante comunicación RTU y GPRS al sistema de control de red. Westnetz tiene acceso en cualquier momento a los valores medidos, como tensión, intensidad y circulación de energía, así como al estado del regulador. El LVR también se puede activar en modo de control remoto o local.

Dispone de diferentes modos para los ajustes de control. Se puede seleccionar un valor de punto de consigna de tensión fijo. El valor del punto de consigna se puede modificar por control remoto o puede basarse, por ejemplo, en una medición de la tensión en una localización diferente. El LVR de Westnetz se gestiona con una curva de control, que es una función del flujo de electricidad y de la dirección del flujo en la línea de MT.

Durante periodos de alta generación local, la tensión a la entrada del LVR supera la tensión de la subestación, mientras que por la noche la situación se invierte. La tensión del punto de consigna para el LVR se establece en 20.5 kV. La tensión regulada permanece dentro de una banda de control de ± 1.5 % de este valor. La tensión de entrada del LVR y la tensión de la SS superan los 21 kV. Sin LVR y con la energía de alimentación máxima de 5 MW, la tensión al final de la red, a 26 km de distancia, aumentaría mucho más.

Hacia la mitad del día, la circulación eléctrica pasa a ser negativa, lo que significa que se suministra una energía de hasta 1.5 MW desde la red de MT a la red de AT. Por la noche, normalmente entre las cinco de la tarde y las nueve de la mañana, la circulación de electricidad se invierte y el suministro desde la red de AT es de hasta 2 MW. El 15 de marzo parece que ha sido un día lluvioso o muy nuboso, dado que se ha generado muy poca energía local.

Problema resuelto
Las redes de distribución están diseñadas para satisfacer las necesidades de cargas actuales y futuras. Cuando la generación renovable aumenta, la potencia máxima de la generación puede convertirse en un múltiplo de la carga máxima, llevando al límite las redes de distribución. En muchos casos, el factor limitante no es la capacidad de transporte como tal, sino el cumplimento del margen de tensiones admisible.

Un LVR puede resolver este problema, pues ajusta automáticamente la tensión de la línea de BT o MT dentro de un margen determinado a un valor deseado, y evita costosas ampliaciones de la red. El LVR de BT se instala en armarios de distribución de cables de BT estándar. En la mayoría de los casos, las empresas suministradoras no necesitan un permiso especial, por lo que la instalación es muy rápida. Se instala en una subestación de hormigón, completamente montada y probada, y sólo hay que conectar los cables de MT a la aparamenta integrada. En ambos casos, el LVR se puede trasladar fácilmente a otro lugar si la situación de la red cambia o la conexión de más generadores requiere reforzar la red.

Martin Carlen
ABB Power Products, Transformadores, Zúrich, Suiza

Adam Slupinski
ABB Power Consulting, Mannheim, Alemania

Frank Cornelius
ABB Power Products, Transformadores, Brilon, Alemania