La actual transición energética hacia una economía sin carbón está cambiando profundamente la infraestructura de la red eléctrica a nivel global, así como la gestión del paradigma energético. El índice de penetración de las energías renovables ha alcanzado ya el 30% de la potencia total instalada en algunos países, y se espera que el ritmo de implantación se acelere en los próximos años (hasta un 70% en 2030 de acuerdo a los últimos escenarios planteados por ENTSO-E). Entre otros cambios, la red eléctrica se encuentra cada vez más interconectada, requiriendo la gestión de flujos de potencia bidireccionales en sus nodos y necesitando de una mayor flexibilidad. Esto significa que la red demandará nuevas funcionalidades a sus componentes. Sin embargo, los transformadores de potencia convencionales no están preparados para soportar los nuevos requisitos, debido a que no disponen de habilidades de forma intrínseca con respecto al soporte activo del sistema. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de soluciones de electrónica de potencia que atiendan las necesidades expuestas en la red eléctrica de una forma efectiva y con coste reducido.

El proyecto FST (Flexible Smart Transformer) consiste en el desarrollo de un nuevo dispositivo multipropósito con ventajas adicionales comparado con los convertidores de potencia de muy alta tensión. En primer lugar, propone un acople a través de medio dieléctrico en vez de un núcleo de ferrita cerrado en la etapa del transformador de alta frecuencia para reducir el peso de forma significativa, dar intramodularidad y escalabilidad al sistema, y realizar de una forma simple el diseño del aislamiento de muy alta tensión. En segundo lugar, el uso de la tecnología SiC (carburo de silicio) ayuda a reducir el volumen del sistema completo. Todas estas características ayudan a reducir drásticamente los costes de mantenimiento y transporte.

Algunas de las aplicaciones potenciales son: transformadores de estado sólido (SST); Convertidores AC / AC; HV Sistemas de transmisión de CA flexible (FACT); Sistemas de almacenamiento de energía de alto voltaje (ESS); Enlaces HVDC; HV DC / DC; UPFC (Unified Power Flow Controller) y parques eólicos marinos.

Dadas las enormes posibilidades que ofrece esta nueva tecnología disruptiva y para aprovechar al máximo sus prestaciones, el desarrollo de este proyecto se enfocará en la potencial aplicación práctica de un caso REAL de la Red Eléctrica de Transporte, línea Bescano-Sentmenat 400 kV, con el objetivo de mitigar las oscilaciones entre áreas prestando especial atención a la compensación de potencia reactiva y control de flujo de potencia.

Primero se comenzara con una fase de prototipo aplicable a tan sólo dos módulos para posteriormente alcanzar el objetivo final mediante la asociación serie-paralelo de módulos individuales hasta llegar a tener un dispositivo UPFC (Unified Power Flow Controller) con estas características:

• Tensión asignada: 400 kV.
• Potencia de línea de transmisión: 2400 MW.
• Potencia reactiva del lado de la derivación shunt: 150 MVAr.
• Impedancia en serie equivalente: 20 ohmios capacitivos a 1000 MW.

REE, como TSO, es el encargado de generar y mantener el sistema de transmisión de la red eléctrica. Debido a esto, sus responsabilidades incluyen tener la suficiente capacidad para dar respuesta a la demanda energética del país. Además, todos los TSOs son conscientes de la necesidad de mantener la calidad de red en el sistema. Y no solo se preocupan por los requisitos de calidad de red de los dispositivos conectados a la misma, sino que también ponen a disposición recursos para restaurarla a unos valores aceptables para el suministro. Los dispositivos FST serán herramientas con un gran valor añadido para cumplir sus objetivos.

Tras más de 3 años de investigación, el proyecto FST (Flexible Smart Transformer) ha concluido con éxito. Financiado por el programa de innovación Grid 2030, el proyecto ha consistido en el desarrollo de un módulo de transferencia inalámbrica de potencia con una gran capacidad de aislamiento entre sus partes, permitiendo el desarrollo de nuevas aplicaciones.

El proyecto FST consiste en el desarrollo de un nuevo dispositivo multipropósito con ventajas adicionales comparado con los convertidores de potencia de muy alta tensión. En primer lugar, propone un acople a través de medio dieléctrico en vez de un núcleo de ferrita cerrado en la etapa del transformador de alta frecuencia para reducir el peso de forma significativa, dar intramodularidad y escalabilidad al sistema, y realizar de una forma simple el diseño del aislamiento de muy alta tensión. En segundo lugar, el uso de la tecnología SiC (carburo de silicio) ayuda a reducir el volumen del sistema completo. Todas estas características ayudan a reducir drásticamente los costes de mantenimiento y transporte.

Algunas de las aplicaciones potenciales son: transformadores de estado sólido (SST); Convertidores AC / AC; HV Sistemas de transmisión de CA flexible (FACT); Sistemas de almacenamiento de energía de alto voltaje (ESS); Enlaces HVDC; HV DC / DC; UPFC (Unified Power Flow Controller) y parques eólicos marinos.

De esta manera se espera contribuir en la decisiva transformación del actual paradigma de las redes de transporte para cumplir con los retos de descarbonización de la sociedad.

Esto contribuye a la eliminación de aislamientos tradiciones como el aceite lo que supone una reducción significativa de elementos contaminantes.

Este método de aislamiento permite, además, una reducción significativa de dimensiones lo que contribuirá a una mejor integración desde el punto de vista de impacto ambiental.

La particularidad de este desarrollo reside en que está diseñado para su uso en redes eléctricas de transporte de alta tensión (230kV y 400kV en España) como controlador de flujo de potencia (UPFC, en sus siglas en inglés). Esta singularidad supone dos retos fundamentales, acometidos a lo largo de la ejecución del proyecto:

• - El diseño (basado en una patente registrada en la OEPM, con número de referencia ES3462.6) debe permitir la conexión del equipo a redes de muy alta tensión. Para su resolución se ha optado por transferir la energía a través de un acoplamiento inductivo, ya que resuelve los problemas de aislamiento que presentan los transformadores secos tradicionales. Por otro lado, el diseño también ha considerado que, mediante la serialización y paralelización de varios módulos, se alcancen valores altos de tensión. Esto es posible gracias a que el sistema trabaja con referencias de tensión flotantes.
• - Mientras el diseño habitual de estos equipos tiene un carácter unidireccional, debido a la naturaleza de las aplicaciones de carga inductiva (siempre desde la red hacia la carga), el módulo desarrollado en FST permite una transferencia de potencia bidireccional. Esto posibilita que se pueda realizar un control efectivo de los flujos de potencia dentro de la red.

Ambos retos se han superado con éxito, logrando un módulo capaz de superar estas dos barreras tecnológicas. Las especificaciones técnicas del equipo son las siguientes:

También se ha ejecutado con éxito un banco de pruebas que permite comprobar las características de funcionamiento del equipo, donde se ha podido evaluar el correcto desempeño del módulo.

La consecución de un UPFC basado en la tecnología desarrollada en el proyecto FST supondrá una solución de electrónica de potencia ideal para la descarbonización del sector energético que demanda la actual transición energética, logrando una mejora sustancial en diversos aspectos:

• - Controlabilidad de la red eléctrica, ya que permitirá orientar los flujos de potencia de manera más regulada, así como controlar los niveles de tensión, facilitando la penetración de energías renovables.
• - Estabilidad de la red eléctrica, permitiendo la integración de impedancia adicional para evitar oscilaciones inter-área.
• - Reducción de costes, logrando un sistema más eficiente a través del control de flujos, reduciendo los costes de transporte al tratarse de un sistema totalmente modular, disminuyendo los gastos de mantenimiento, etc.
• - Medioambiental, ya que se trata de un equipo más limpio, sin necesidad de líquido refrigerante, por lo que se elimina el riesgo de la contaminación por residuos.

El proyecto RITSE de dos (2) años de duración abordó un problema específico de estabilidad del sistema eléctrico: la estabilidad transitoria. Para construir la solución más valiosa para Red Eléctrica, era esencial clasificar y enfocar las características de la solución para alinearlas con lo que los clientes encuentran más atractivo, es decir, la implementación de la solución técnica y las necesidades del mercado. A través del proyecto “Reduced Inertia Transient Stability Enhancement” (RITSE), SuperGrid Institute e IMDEA unieron fuerzas para mejorar la estabilidad transitoria de las redes de corriente alterna (CA) en el contexto de reducción de inercia para la estabilidad del sistema y servicios auxiliares. Para ello han combinado el uso de baterías (concepto BATTERTIA) y el control suplementario de enlaces HVDC (Dynamic Virtual Admittance Control - Concepto DVAC). Las líneas de desarrollo del proyecto fueron las siguientes:

• - Evaluar las soluciones de control propuestas en una red eléctrica realista considerando las medidas existentes y la implementación del hardware industrial.
• - Proporcionar pautas sobre requisitos técnicos utilizables por Red Eléctrica para elaborar especificaciones técnicas de soluciones.
• - Describir la cadena de valor de dichas soluciones tanto en la regulación como en el diseño del mercado de servicios complementarios.
• - Elaborar la estrategia de comercialización.

RITSE Concepto de estabilidad transitoria inter-área e intra-área

El concepto DVAC propuesto y desarrollado por SuperGrid Institute consiste en un método innovador para controlar enlaces VSC-HVDC embebidos en la red CA, con el fin de contribuir a la mejora de la estabilidad transitoria y de pequeña señal de sistemas eléctricos. El esquema de control calcula las referencias de potencia activa necesarias para cada estación de un enlace VSC-HVDC, lo que le permite emular el comportamiento de una línea de transmisión de CA sin pérdidas y autoajustable, conectada en paralelo con este enlace VSC-HVDC. La ley de control asociada se deriva para determinar el valor instantáneo de la admitancia virtual en función de las variables de estado y los parámetros del sistema, obtenidos por los sistemas de medición. El objetivo principal es mejorar la estabilidad del ángulo del rotor del sistema e implícitamente garantizar la sincronización de dos redes de CA interconectadas.

La motivación detrás del despliegue del control DVAC es la mejora de la estabilidad del sistema tras estar expuesto a inestabilidades causadas por la reducción de su inercia. El ambicioso objetivo marcado por la UE sobre la integración de las energías renovables aumentará la compartición de la electrónica de potencia y, en consecuencia, reducirá la inercia. Como resultado, se necesita un control adicional para hacer frente a los problemas de inestabilidad. El control DVAC afecta esencialmente a los enlaces VSC-HVDC embebidos en la red CA. El crecimiento del mercado de enlaces VSC-HVDC y los numerosos proyectos HVDC instalados y planificados, otorgan a DVAC un futuro prometedor desde el punto de vista del mercado.

DVAC Estructura de control propuesta para ofrecer soporte a la red de CA circundante

El Instituto IMDEA Energía presentó un novedoso concepto de control para interfaces de electrónica de potencia soportadas por baterías, BATTERTIA. A diferencia de los convertidores de batería de energía existentes que ofrecen solo controles de potencia activa y reactiva, BATTERTIA tiene las mismas características de soporte de tensión e inercia que un generador síncrono que ofrece soporte de tensión mejorado y servicios de inercia a los operadores de redes eléctricas. De esta forma, BATTERTIA ayuda a los operadores de red a retener y mejorar las propiedades de estabilidad de tensión y transitorios durante el proceso continuo de descarbonización del sistema eléctrico. El sistema de control de BATTERTIA se basa en un convertidor de potencia de red acoplado al sistema de baterías. Se usa un concepto de máquina virtual síncrona (VSM) adaptado para el control del convertidor de potencia y se ajusta un controlador de estado de carga (SOC) de la batería para proporcionar solo la respuesta inercial. Las propiedades de inercia se pueden configurar de acuerdo con las especificaciones del usuario.

Se demostró que BATTERTIA representa la tecnología que permite que las baterías se introduzcan al mercado de servicios auxiliares y compitan con las reservas de inercia existentes proporcionadas por las máquinas rotativas. Como tal, tiene un impacto directo en la capacidad de DSO y TSO para operar redes de MT y AT, asegurar la estabilidad del sistema eléctrico y permitir una conexión masiva y segura de Fuentes de Energía Renovable.

Descripción general de BATTERTIA: etapa de potencia y las variables medidas

El proyecto ENIGMA, desarrollado bajo el programa Grid2030, busca soluciones basadas en IA para optimizar la estabilidad del sistema eléctrico español. El objetivo principal del proyecto es el desarrollo de nuevas técnicas de control que permitan estabilizar la frecuencia de la red eléctrica del futuro ante posibles contingencias basadas en una gestión más inteligente de la capacidad renovable. La creciente incorporación de plantas renovables en la red, conectadas a través de electrónica de potencia, plantea un nuevo escenario donde los sistemas de control tradicionales pueden verse superados. Es necesario un nuevo sistema capaz de adaptarse a los cambios en la red y de controlar la red de forma optimizada.

El Reinforcement Learning (RL) es uno de los paradigmas de Machine Learning con mayor potencial de cara al desarrollo de nuevos sistemas de control que permitan solventar estos nuevos escenarios. En este paradigma, un agente de RL interactúa con un entorno, generalmente simulado, y recibe una recompensa en función de la calidad de sus acciones. El objetivo de este agente es maximizar la recompensa recibida al final del episodio. Una vez entrenado, este agente se podría desplegar en el entorno real para conseguir así los objetivos deseados.

Dentro del proyecto ENIGMA se ha desarrollado una plataforma de entrenamiento de agentes de Deep RL. Uno de los pilares de esta plataforma es un simulador de la red eléctrica en el que se ha modelado la isla de Gran Canaria. Gracias a sus rápidos tiempos de ejecución los agentes desarrollados han podido entrenarse en cientos de miles de posibles escenarios, aprendiendo así a controlar las futuras plantas renovables de la red y a responder de forma adecuada ante posibles contingencias. Estos agentes se han desarrollado bajo diferentes configuraciones de comunicación, emulando los posibles escenarios que se puedan producir en el futuro. Estos agentes consiguen mejorar la respuesta existente en la actualidad y plantear los nuevos escenarios más convenientes de cara a futuro.

En escenarios futuros donde el mix energético esté compuesto principalmente por generación renovable controlable y poca generación convencional, los desarrollos del proyecto Enigma facilitan el control de la respuesta de los primeros en frecuencia y marcan el camino a la incorporación de la IA en los centros de control. Los resultados del proyecto muestran una reducción de la contribución de las energías convencionales de hasta un 42% en favor de la generación renovable.

La siguiente figura muestra un ejemplo de respuesta en un episodio en el que se simula una pérdida importante de demanda en t=0, lo que produce un episodio de sobre-frecuencia. A la izquierda se muestra la respuesta en frecuencia del agente RL comparada con la respuesta actual del sistema (PO12.2). A la derecha se muestra la potencia activa de los generadores de energía renovable controlados junto con la consigna (línea punteada) enviada por los agentes de DRL. La respuesta de los agentes no solo permite, como se aprecia en la imagen de la izquierda, reducir la desviación de frecuencia, sino que se produce una respuesta que no sería posible obtener mediante el actual controlador proporcional.

Con el proyecto Enigma se ha demostrado que, ante la preocupación futura de pérdida de inercia del sistema y su implicación en la estabilidad de frecuencia, tecnologías basadas en IA y entornos de simulación son una alternativa válida para garantizar la estabilidad del sistema.