La tecnología multiclúster de SMA

El camino a la red eléctrica propia

Los sistemas aislados basados en la corriente alterna abren la posibilidad de establecer un suministro energético estable y potente independiente de la red eléctrica pública. Una red aislada de este tipo aporta mucho más que la calidad de suministro habitual de las grandes redes eléctricas. Gracias a su composición modular, su montaje es muy sencillo, así como su ampliación.

Con la integración de fuentes de energía renovables, que evitan el gasto en combustible y se vuelven rentables con el paso del tiempo, este tipo de sistemas resultan hoy, en general, más económicos que el simple suministro convencional con generadores diésel. Esta publicación explica los fundamentos técnicos del suministro de corriente en redes aisladas y muestra la estructura y el funcionamiento como ejemplo de un gran sistema híbrido con cerca de270 de potencia de generación instalada.

¿Por qué corriente alterna?

La base del suministro de corriente aislado modular de hasta 300 kW es el llamado acoplamiento de CA. A diferencia del acoplamiento de CC, todas las fuentes de energía y consumidores están conectados a través de una red de corriente alterna que ofrece una serie de ventajas. Por un lado, el consumidor puede emplear equipos de corriente alterna disponibles en el mercado y, por tanto, más económicos. En cuanto al generador, pueden utilizarse fuentes de energías renovables o convencionales. Las redes de corriente alterna pueden instalarse aunque no se cuente con conocimientos específicos especiales y con componentes estándar disponibles en cualquier lugar.

No menos importante, estos son claramente más económicos, pues comparados con componentes de corriente continua, deben, en general, soportar mayores tensiones pero intensidades de corriente mucho menores.

Igualmente, la libertad en la planificación es significativamente mayor, ya que es posible dejar grandes distancias entre generadores, baterías y consumidores sin ningún problema. Además, conectar generadores y consumidores en redes de corriente alterna es posible en prácticamente cualquier punto, algo idóneo para posibles ampliaciones posteriores.

Sunny Island: el gestor de la red y de la batería

Un componente central de la red de corriente aislada es el inversor de batería Sunny Island. Como fundamento y gestor de la red, es el responsable de la estabilidad de la red de CA y mantiene la tensión y la frecuencia constantemente dentro de los límites permitidos. La energía sobrante la almacena en la batería, y, en caso contrario, el Sunny Island provee a la red de corriente de la batería. Se trata, por tanto, de un inversor de batería bidireccional, conocido igualmente a menudo como equipo inversor-cargador. Tales equipos resultan especialmente rentables, ya que ambas funciones están garantizadas con los mismos semiconductores de potencia.

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Con un estado de carga inferior al 90%, la batería puede absorber en cualquier momento los excedentes de energía. Con una batería totalmente cargada y con excedentes de energía, el Sunny Island aumenta la frecuencia de CA. A continuación, los generadores reducen paulatinamente su potencia.

Además de la gestión de la red, el Sunny Island lleva a cabo a su vez una gestión de la batería muy avanzada, con funciones de monitorización incluidas. De este modo, conoce el estado de carga preciso en cualquier momento y, como gestor del sistema, toma las consecuentes decisiones. Si las baterías están vacías y, al mismo tiempo, la potencia de generación es reducida, puede activar en cualquier momento la fuente de energía de respaldo disponible (por ejemplo, un generador diésel) o desconectar también determinadas cargas de los consumidores.

También determina la estrategia más apropiada para cargar la batería y prolongar así su vida útil. Además, este compacto equipo ofrece funciones especiales pensadas para resolver necesidades determinadas de las redes aisladas.

Compensación automática de la potencia reactiva

Con un posible desfase de –90 a +90 grado, el Sunny Island, en caso necesario, puede convertir toda su potencia nominal en potencia reactiva.

Con ello, pueden equilibrarse los desfases en la red aislada provocados por cargas inductivas o capacitivas (como motores, transformadores o líneas de cables).

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El Sunny Island puede limitar la potencia de todos los generadores y mantener la red en todo momento con equilibrio energético.

Gestión de la producción por control remoto

Si las baterías están llenas y la necesidad de corriente es reducida, el Sunny Island restringe la producción de corriente de todos los generadores renovables: instalaciones fotovoltaicas, hidráulicas o eólicas. Para que esto sea así, los inversores tienen que ser equipos de SMA con el modo de red aislada activado. En este caso, si la frecuencia va en aumento, los equipos ya no se desconectan de la red, sino que reducen paulatinamente su potencia. Como gestor de la red que determina la frecuencia de la red aislada, el Sunny Island puede limitar la potencia de todos los generadores y mantener la red en todo momento con equilibrio energético, sin líneas de comunicación adicionales.

Gran capacidad de sobrecarga

Al conectar determinadas cargas de consumidores, fluyen a menudo elevadas corrientes de arranque que pueden sobrepasar la corriente de funcionamiento normal. Además, algunos consumidores necesitan mucha energía durante poco tiempo, con lo que se crean breves picos en el perfil de carga. Por tanto, para el dimensionamiento de sistemas aislados, es muy importante que los inversores de batería tengan una elevada capacidad de sobrecarga, porque así podrán tratarse sin problemas tales picos de carga. El Sunny Island 5048 gestiona 6,5 kW durante 30 minutos, durante 1 minuto, 8,4 kW y durante 3 segundos, hasta 12 kW; esto es, aproximadamente, dos veces y media su potencia nominal.

Tres fases, ningún problema

Las configuraciones trifásicas han demostrado una gran eficacia para la transmisión de grandes potencias en redes de corriente alterna. Esto es así tanto para grandes redes interconectadas como para redes aisladas.

La ventaja: con la superposición de potencias individuales con desfase, los consumidores trifásicos acceden a una potencia casi continua. Del mismo modo, los generadores de grupos diésel o de centrales eólicas suministran su potencia principalmente de forma trifásica. Sin embargo, también pueden ponerse en marcha sistemas monofásicos con una potencia de inversor de batería de hasta 20 kW (conexión en paralelo de cuatro Sunny Island 5048 en una fase). No obstante, para grandes potencias se emplean, por lo general, redes aisladas trifásicas. Para ello, se conectan siempre tres inversores Sunny Island a un clúster trifásico.

Un equipo especifica, como maestro, la frecuencia, y los dos esclavos se rigen por esa frecuencia y trabajan exactamente con un desfase de 120 o 240 grados. La sincronización se produce a través de una conexión de comunicación especial entre los equipos. Una ventaja más de esta conexión es que la configuración de todos los clústeres puede llevarse a cabo únicamente a través del inversor maestro.

Si el sistema está preparado en cuanto a cableado y configuración, una red aislada trifásica funciona sin problemas, exactamente igual que la variante monofásica.

El inversor de la fase con mayor carga también equilibra automáticamente una carga de red asimétrica con consumidores monofásicos tomando más potencia de la batería. Un funcionamiento totalmente asimétrico también es posible, por ejemplo, mediante la inyección de corriente fotovoltaica a la red aislada en la fase 1 y el consumo en la fase 3. Sin embargo, como la energía en este caso ha de atravesar adicionalmente dos inversores Sunny Island, por motivos de eficiencia, resulta más ventajoso mantener la distribución simétrica de cargas y generadores.

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Sin problemas: la carga asimétrica de la red trifásica.

Tecnología multiclúster: menor coste en grandes sistemas

La ventaja que caracteriza la tecnología de sistemas aislados de SMA se encuentra en su concepción modular: pueden configurarse instalaciones de cualquier tipo de potencia con componentes comparativamente pequeños y manejables, con lo que el transporte y el montaje no implica problema alguno tampoco en lugares remotos. Con la distribución de la potencia de los inversores en clústeres, o grupos, de tres equipos cada uno, es posible planificar la potencia del sistema con una gran flexibilidad: puede ampliarse permanentemente con la conexión en paralelo de varios clústeres y también es posible expandir el sistema aislado.

Como la estructura básica es idéntica y los equipos empleados son siempre los mismos, los instaladores técnicos que han recibido formación en una ocasión pueden configurar, utilizar y mantener instalaciones de cualquier tamaño.

Un elemento clave de los sistemas modulares es, además del inversor de batería Sunny Island, la Multicluster-Box, que se ocupa de interconectar fácilmente todos los componentes en una red de corriente alterna con almacenamiento alimentada mediante diferentes generadores eléctricos. La Multicluster- Box está disponible en tres clases de potencia, viene conectada y cuenta con todos los dispositivos de conmutación y de monitorización necesarios. De este modo, es posible montar sistemas aislados con un rango de potencia de 5 kW a 300 kW.

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Pueden configurarse instalaciones de cualquier tipo de potencia con componentes comparativamente pequeños y manejables.

Potencia a medida: Multicluster-Box

El elemento principal de la tecnología multiclúster es la Multicluster-Box, disponible con tres clases de potencia. Como distribución de CA preconfigurada, permite conectar fácilmente todos los componentes de CA del sistema aislado: batería, generador, instalaciones de generación de energías renovables (como fotovoltaica, eólica o hidráulica), consumidores y entre dos y doce clústeres, con tres inversores Sunny Island cada uno. Las diferentes Multicluster-Box se diferencian únicamente por la cantidad de clústeres conectados y una configuración más potente de todos los componentes conductores de corriente. La estructura de todas ellas es sencilla: tienen conexiones para cada inversor Sunny Island y conexiones principales para un generador, la instalación de generación de energía renovable y los consumidores. Para los dos últimos es necesario hacer subdistribuciones, que se planifican de forma individualizada.

Seguridad a varios niveles: Contactor del generador y relé de deslastre de carga

Tanto para la conexión del consumidor como para la del generador, el contactor de potencia está ya integrado en la distribución. El contactor del generador sirve para conectar los generadores que forman la red, como los que se emplean, por ejemplo, en potentes grupos diésel o plantas de cogeneración.

A diferencia de los generadores que trabajan en paralelo a la red, no pueden sincronizarse con una red existente, por lo que, en este caso, es el generador el que determina los parámetros de la red.

El grupo de clústeres de los inversores Sunny Island se adapta: cuando la tensión y la frecuencia previa y posterior al contactor del generador coinciden, se establece la conexión.

En caso de fallo o si se desconecta el clúster del Sunny Island, el contactor del generador se cierra automáticamente, de modo que el generador queda directamente conectado a los consumidores conectados. En caso de fallo en el generador, el sistema se desconecta rápidamente y mantiene el suministro con la corriente de la batería y los generadores de energía renovable disponibles. De este modo, incluso si falla un componente, está garantizado el funcionamiento seguro. Si el fallo del generador se prolonga en el tiempo y las fuentes de energía renovable no proporcionan energía suficiente para un suministro completo de los consumidores, pasará a utilizarse la energía almacenada en la batería. Cuando se alcanza un umbral inferior de descarga, el contactor del lado de los consumidores se abre y desconecta la línea para evitar una descarga total de las baterías y la desconexión del grupo de clústeres.

Al contrario, el sistema permanece activo y utiliza la energía fotovoltaica, eólica o hidráulica existente para recargar la batería. Con un estado de la carga suficientemente elevado, los consumidores volverán a conectarse automáticamente. A modo de conclusión puede afirmarse que, incluso en caso de fallo grave, la máxima seguridad de suministro posible y la protección de la batería están garantizadas. Para evitar cargas máximas innecesarias, es posible llevar a cabo una gestión de la carga a través del relé multifunción de los inversores Sunny Island: en cada equipo del clúster principal hay disponibles dos relés a los que puede asignarse, a través del menú del equipo, una de entre 17 funciones. Además de arrancar el generador con un estado de carga de la batería reducido, también es posible conectar consumidores independientes a través de un contactor instalado por separado.

Jerarquía plana: inversores conectados en clústeres

Con una red aislada que puede contar con hasta 36 inversores Sunny Island, es indispensable formar una estructura organizada que garantice el control efectivo de la red. Tal y como se ha mencionado, cada uno de los, como máximo, doce clústeres se compone de tres inversores: un maestro y dos esclavos. Cada uno de estos clústeres de funcionamiento trifásico tiene asignada una batería que controla y monitoriza. Además, uno de los clústeres está definido como clúster principal. El equipo maestro principal correspondiente controla todo el sistema y, para ello, se comunica también con la Multicluster-Box. El clúster principal es compatible con un máximo de once clústeres de extensión, que vuelven a componerse a su vez de un maestro y dos esclavos de extensión. Por tanto, es posible diferenciar cuatro niveles de jerarquía (número de equipos entre paréntesis): maestro principal (1), esclavos principales (2), maestros de extensión (1 – 11) y esclavos de extensión (2 – 22).

Medición y control: conexiones de comunicación

Además de los contactores, la Multicluster-Box cuenta también con dos interfaces de comunicación para la conexión con el clúster principal. Por un lado, se transmite la intensidad de corriente, la tensión y la frecuencia de la conexión del generador a los tres inversores del clúster principal. Los datos se precisan, entre otras cosas, para la sincronización del clúster con el generador.

Para controlar los contactores, la Multicluster-Box está, además, conectada al bus de comunicación interno del clúster principal. Finalmente, todos los inversores maestros del sistema están conectados entre sí. A través del bus multiclúster se intercambia información sobre la línea de clúster correspondiente, el estado de carga de la batería y la frecuencia nominal.

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Cada uno de estos clústeres de funcionamiento trifásico tiene asignada una batería que controla y monitoriza.

Flexible en el funcionamiento normal

La concepción modular del sistema aislado permite una gran flexibilidad, y no solo para la planificación, puesto que también es ventajosa ante una posible ampliación o en caso de requerirse labores de mantenimiento.

De este modo, configurar paso a paso o ampliar cada pequeño sistema no plantea problema alguno. En cualquier momento es posible conectar clústeres adicionales a la Multicluster-Box, y nada impide tampoco una ampliación de la potencia de generación de energía renovable para satisfacer las necesidades. Los únicos factores limitadores son la cantidad de conexiones Sunny Island posibles en cada Multicluster-Box y la capacidad de carga de corriente de sus dispositivos de conmutación (consulte los datos técnicos de las Multicluster-Box).

Sin embargo, también la disponibilidad de todo el sistema aumenta con la implementación modular de equipos de serie compactos: a excepción del clúster principal, el mantenimiento o la sustitución de un único inversor Sunny Island es posible también durante el funcionamiento; simplemente, la potencia total del sistema será menor en ese tiempo. Lo mismo sucede con cada una de las baterías parciales individuales, ya que están asignadas a los diferentes clústeres del Sunny Island. La gestión inteligente de la batería del grupo de clústeres se ocupa seguidamente de que en poco tiempo todas las baterías parciales pasen a tener el mismo estado de carga.

Sencillo mantenimiento gracias a un servicio técnico local

El mantenimiento regular de los inversores Sunny Island se limita a la limpieza de la rejilla de ventilación. Cada una de las unidades de la batería requieren labores de mantenimiento una vez al año, algo que, gracias a la muy baja tensión de seguridad empleada en el lado de la CC, puede hacerse también sin necesidad de poseer conocimientos técnicos y con el sistema en funcionamiento.

En el caso de que un inversor Sunny Island falle, todo el personal de asistencia técnica de SMA está en disposición de sustituir el equipo. Incluso en el poco probable caso de que se produzca una avería en la Multicluster-Box, el esfuerzo de reparación es reducido: bajo ningún concepto es preciso reemplazar todo el armario, sino que la sustitución de un componente por un miembro del servicio técnico local es suficiente.

La solución en redes aisladas: moderno suministro energético en la isla de Eigg

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La gestión inteligente de la batería del grupo de clústeres se ocupa seguidamente de que en poco tiempo todas las baterías parciales pasen a tener el mismo estado de carga.

Un ejemplo de suministro de energía potente e independiente de la red se encuentra en la isla de Eigg. La isla forma parte de las escocesas Hébridas, tiene unos 30 km2 de extensión y en torno a 90 habitantes. Los costes de conexión a la red eléctrica pública del resto del país, a unos 16 kilómetros de distancia, serían tan elevados, que nunca se ha llevado a cabo. Por ello, hasta el año 2008, la isla se suministraba únicamente con generadores diésel. Esta solución también resultaba muy cara y producía desconexiones nocturnas por la contaminación acústica y apagones cuando tenían que llevarse a cabo trabajos de mantenimiento.

La red eléctrica propia

Desde 2008, los habitantes de la isla disfrutan de la comodidad de una moderna red eléctrica pública trifásica que, además, inyecta un 95% de energías renovables. El sistema aislado híbrido integra, con energía hidráulica, eólica y fotovoltaica, tres fuentes de energías renovables: solo en los periodos de baja producción se utiliza un generador diésel. Además, aunque la energía eléctrica está ahora disponible durante todo el día y con una red de calidad, los costes para los habitantes de la isla se han reducido en más de un 60%.

El elemento central de la red aislada es la combinación de cuatro clústeres de Sunny Island que están conectados a los diferentes generadores y consumidores a través de una Multicluster-Box 12: tres turbinas hidráulicas con un total de 110 kW, cuatro pequeñas instalaciones eólicas con 24 kW y una instalación fotovoltaica con 32 kW de potencia máxima se ocupan de procurar una corriente respetuosa con el medio ambiente. Así, los inversores Sunny Island con 60 kW de potencia nominal se sitúan frente a cerca de 144 kW de potencia de generación de energía renovable. Esta relación de potencia es característica de los sistemas aislados, puesto que pocas veces están disponibles a la vez las potencias máximas de los diferentes generadores.

Dos generadores diésel con 64 kW de potencia nominal cada uno sirven de respaldo para casos en los que la potencia de fuentes renovables no sea suficiente. Sin embargo, en funcionamiento permanente se encuentra únicamente una de las unidades; si se precisa llevar a cabo trabajos de mantenimiento o si se produce una avería, la otra se conecta. El banco de baterías almacena 212 kWh; solo con eso, es posible proveer de energía a la isla durante unas doce horas.

Para evitar pérdidas de transferencia por los kilómetros entre consumidores e instalaciones generadoras, la red eléctrica local trabaja en parte a un nivel de media tensión de 11 kV. La generación descentralizada descarga además la red distribuidora, puesto que una determinada parte de la energía ya se utiliza en el entorno local.

Funcionamiento

Durante el funcionamiento normal, el maestro principal del inversor Sunny Island controla toda la red y proporciona en todo momento un balance energético equilibrado: si la potencia generada por las fuentes renovables sobrepasa la necesidad actual (de 15 kW a 60 kW), el excedente se almacena en la batería. Cuando la batería está plenamente cargada, el maestro principal comienza a aumentar levemente la frecuencia de red. De este modo, por un lado, activa por control remoto los calefactores eléctricos de los edificios públicos. Por otro, los generadores de energía renovable reducen su potencia con la frecuencia controlada. Si la potencia de generación de energía renovable no es suficiente, se recurre al respaldo de los 60 kW de potencia de los inversores Sunny Island, que se toman de la batería.

Una vez que el estado de la carga se ha reducido por debajo del 60%, el maestro principal arranca el generador diésel. En este caso, es el diésel el que determina la frecuencia de red con cuyos parámetros de red se sincronizarán los clústeres del Sunny Island. A la vez, llevan a cabo una continua igualación del balance energético: con la activación o desactivación de grandes cargas de consumidores, la carga del generador no cambia en primer lugar; los inversores pueden compensar la variación de la carga modificando rápidamente su corriente de carga o descarga. A ello contribuye en buena medida la enorme capacidad de sobrecarga de los equipos: durante tres segundos suministran a la red al menos 144 kW de potencia de la batería.

Como gestor de la red, el clúster principal también decide si activa el funcionamiento más eficiente del diésel con su potencia nominal o la carga de la batería con la corriente de carga óptima correspondiente (en este sentido, el estado de la carga actual también es importante). A consecuencia de esto, el generador funciona rara vez con una carga parcial ineficiente y cargará pocas veces con innecesarios y breves ciclos de arranque y parada. Además, como los inversores Sunny Island absorben los cambios de carga repentinos, los generadores que, en relación a las cargas de los consumidores, tienen una baja potencia, operan de forma segura.