Garantizar la estabilidad de la red: transformadores para aplicaciones de energía renovable

Jul 10, 2023

Los transformadores son componentes críticos que agrupan la energía generada y elevan su nivel de voltaje en la estación de agrupación antes de sincronizarla e introducirla en el sistema de transmisión interestatal o intraestatal. Su disponibilidad y longevidad pueden afectar significativamente la confiabilidad de la red y mejorar el control del voltaje, incluso con un suministro intermitente. Después del Acuerdo de París y la Cumbre COP26, países de todo el mundo se han fijado objetivos ambiciosos en materia de energía renovable. Con la creciente penetración de las energías renovables, se han vuelto inevitables grandes cambios de carga en períodos de tiempo relativamente cortos, lo que afecta tanto a las redes de transmisión como a las de distribución (T&D). La complejidad de la red eléctrica se ve agravada aún más por las cargas no lineales de los centros de datos y las estaciones de carga de vehículos eléctricos, entre otros factores. Para superar esto, el despliegue de transformadores especializados está ganando terreno para la generación eólica y fotovoltaica distribuida.

Opciones tecnológicas

El tipo más común de transformador utilizado en aplicaciones de energía renovable es el transformador inversor. La corriente continua (CC) generada por las células fotovoltaicas se convierte en corriente alterna (CA) mediante inversores, y la energía CA se conecta a la red eléctrica a través de un transformador elevador. Sincronizan la potencia de CA de salida con la frecuencia de fase y el voltaje de la red existente para alimentar energía fotovoltaica a la red. Los inversores fotovoltaicos son muy eficientes e inyectan una cantidad mínima de CC, armónicos o potencia reactiva a la red. Sin embargo, los sistemas de energía solar enfrentan desafíos de diseño debido al tamaño limitado del inversor solar, siendo el más grande de aproximadamente 500 kVA. Las restricciones sobre el tamaño de los inversores también imponen limitaciones sobre el tamaño de los sistemas fotovoltaicos. Como resultado, el avance de la tecnología de inversores ha sido lento.

Los transformadores de aislamiento se utilizan normalmente para proteger a los inversores de sobretensiones en el lado de la red y evitar cualquier inyección de CC desde el inversor a la red. Muchos modelos de inversores vienen con transformadores de aislamiento incorporados. Sin embargo, debido a su mayor coste y menor eficiencia, muchos optan por comprar inversores sin ellos. No se requieren transformadores de aislamiento si el sistema fotovoltaico utiliza otro transformador, como un transformador elevador.

Para manejar y transmitir volúmenes sustanciales de electricidad desde instalaciones de energía renovable variable, están ganando terreno tanto los transformadores de tipo seco como los transformadores llenos de líquido. En un transformador de tipo seco, los devanados y el núcleo están encerrados en un tanque sellado lleno de aire o gas a presión. Estos transformadores se utilizan para conectar fuentes de energía renovables a la red o a la carga, como turbinas eólicas, paneles solares y plantas hidroeléctricas. Mientras tanto, los transformadores llenos de líquido utilizan aceite mineral, éster sintético y fluidos de éster natural. Esto los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones, desde instalaciones solares residenciales hasta comerciales e industriales en tejados, y proyectos eólicos terrestres de montaje en plataforma o en suelo hasta torres marinas o montaje en góndola.

Además, en los próximos años, el aumento de las instalaciones en tejados hará que más prosumidores estén dispuestos a vender electricidad a la red durante el día y retirarla durante las horas de menor actividad. La actualización a transformadores inteligentes garantizará un flujo bidireccional de energía desde la red a los edificios, así como desde los consumidores a la red. Esto garantizará que la electricidad llegue a los consumidores que la necesitan durante las horas pico a precios competitivos, eliminando la necesidad. Los transformadores inteligentes también permitirán que las redes sean más resistentes a la volatilidad y la inestabilidad de la red de diversos tipos.

Los transformadores de estado sólido (SST) se componen de circuitos de control, semiconductores de alta potencia y transformadores de alta frecuencia. Estos transformadores facilitan conversiones fluidas de CA-CC y CC-CA y ofrecen un mayor control sobre las redes de distribución de energía. Cuando se integran en la red eléctrica, las SST gestionan de forma independiente las variaciones de voltaje. Estos transformadores son más robustos, confiables, eficientes y relativamente menos costosos en comparación con los transformadores convencionales. Las SST se utilizan más comúnmente en fuentes de energía renovables como la solar y la eólica, así como en locomotoras de tracción. Además, se prevé que la antigua infraestructura de T&D respaldará el crecimiento en el mercado de SST.

La tecnología de Internet de las cosas (IoT) desempeñará un papel crucial en la recopilación de datos sobre el rendimiento de la red y en la notificación de cualquier problema potencial a las compañías eléctricas en tiempo real, evitando así cortes y tiempos de inactividad. IoT, en combinación con inteligencia artificial/aprendizaje automático, también brindará a las empresas de servicios públicos advertencias avanzadas sobre cualquier problema potencial al modelar el rendimiento y la intensidad de uso de los componentes. Esto ayudará a las empresas de servicios públicos a diagnosticar y programar reparaciones de posibles problemas con anticipación, lo que resultará en menores costos de operación y mantenimiento (O&M). En consecuencia, los transformadores inteligentes mejorarán la eficiencia y reducirán los costos de operación y mantenimiento de los servicios públicos de T&D.

Conclusión

El aumento de la capacidad renovable en los próximos años requerirá inversiones en el sector de T&D para actualizar e incorporar tecnologías inteligentes que puedan facilitar el flujo intermitente y bidireccional de electricidad. Sin embargo, el número limitado de fabricantes acreditados y la infraestructura de pruebas inadecuada podrían plantear un serio desafío para la ejecución del proyecto. De cara al futuro, es imperativo abordar estos problemas y fortalecer la capacidad de fabricación y la infraestructura de prueba para transformadores especializados utilizados en aplicaciones de energía renovable.