Conectar solar y eólica: un inversor no tiene inercia
Arrastra la cuota renovable y lee la frecuencia
La curva muestra cómo cambia con el tiempo la frecuencia de la red justo después de que se desconecta un generador. Arrastra el tirador de la barra inferior para subir la cuota renovable: salen máquinas síncronas, la inercia del sistema baja y, aun con una perturbación del mismo tamaño, la frecuencia cae con más pendiente y su punto más bajo es más hondo. Cuando ese punto más bajo queda por debajo de la línea discontinua verde, el umbral de deslastre de carga por baja frecuencia de 59,43 Hz, la curva se vuelve roja y se activa el deslastre. En esta figura eso ocurre cuando la cuota renovable supera aproximadamente el 46 %.
El inversor se pone en medio
Un generador síncrono está conectado directamente a la red, así que su rotor gira en una sola pieza con la frecuencia de la red. La solar, en cambio, produce continua, y muchos aerogeneradores producen alterna cuya frecuencia cambia con el viento, de modo que ninguna puede conectarse tal cual a una red de 60 Hz. Por eso un inversor, un equipo de electrónica de potencia, se pone en medio y rehace esa salida para ajustarla a la frecuencia, la tensión y la fase de la red antes de inyectarla. Un inversor es un equipo inteligente que mide la red y se mantiene sincronizado, pero justamente su propiedad de separar la fuente de energía de la red es lo que hace desaparecer la inercia.
La inercia sostiene la frecuencia
La frecuencia de la red es la aguja que indica el equilibrio entre generación y carga. Cuando de pronto falta generación, la frecuencia cae, y su ritmo inicial de caída, RoCoF = ΔP/2H, es inversamente proporcional a la constante de inercia H del sistema. El pesado rotor giratorio de un generador síncrono guarda una energía cinética ½Jω² y, en el instante de la perturbación, la libera por sí solo y sostiene la frecuencia para que caiga despacio. Un inversor desacopla electrónicamente su fuente de energía (sol, viento o batería) de la frecuencia de la red, así que, a menos que se le añada un control específico, no aporta esa inercia.
Qué cuesta la baja inercia
A medida que la cuota renovable sube y desplaza máquinas síncronas, la inercia del sistema baja y la misma pérdida de generación hace que la frecuencia caiga más rápido (RoCoF↑) y más hondo (punto mínimo↓). En la figura, subir la cuota del 0 % al 90 % reduce la constante de inercia H de 5,6 s a 1,1 s, multiplica el RoCoF por unas cinco veces, de 0,32 a 1,64 Hz/s, y baja el punto mínimo de 59,53 Hz a 59,13 Hz. Si la frecuencia cae demasiado, el deslastre de carga por baja frecuencia tiene que cortar carga a propósito para evitar el colapso, y si ni eso basta, se llega a un apagón de gran extensión. Las soluciones son añadir a los inversores un control de inercia sintética (virtual) para que imiten la inercia, sumar la respuesta rápida en frecuencia de las baterías y mantener compensadores síncronos en la red. Esta falta de inercia es el reto de ingeniería central de la transición renovable.
De vuelta a la primera pantalla
La perturbación siguió siendo del mismo tamaño, pero al subir la cuota renovable la curva de frecuencia cayó con más pendiente y su punto más bajo se hizo más hondo, y cerca de la mitad la curva bajó de la línea discontinua verde y se volvió roja. Lo que cambió no fue la perturbación, sino la cantidad de inercia giratoria disponible para amortiguar el golpe. Un inversor se sincroniza con la red de forma inteligente, pero no tiene un rotor pesado como una máquina síncrona, así que no puede aportar la inercia que sostiene la frecuencia. Pasar a las renovables trae energía limpia, pero deja la tarea de recuperar esta inercia, y esa tarea lleva al tema de la estabilidad de la próxima unidad.
Abierto el tema de la inercia y la frecuencia, la última unidad (PW-E2) reúne la estabilidad del sistema y la frecuencia. El equilibrio entre oferta y demanda fija la frecuencia, y tras una perturbación la inercia frena primero la caída, luego el regulador de velocidad la detiene y el control automático de generación devuelve la frecuencia a 60 Hz. También en esta figura la curva no vuelve del todo a 60 Hz, sino que se queda un poco por debajo, porque solo actúa el regulador. La unidad trata además la estabilidad transitoria, en la que, sobre la curva potencia-ángulo de D1, un ángulo abierto por una falla que supera la condición de áreas iguales hace que un generador pierda el sincronismo, y todas las piezas hasta aquí encajan en una sola imagen llamada estabilidad.