¿Qué es la tecnología de black start en un sistema de almacenamiento de energía, y cuál es su función y principio?
2025-09-18
A medida que los sistemas de almacenamiento de energía crecen en escala, la gestión térmica se vuelve un factor determinante para el rendimiento, la seguridad y la vida útil. La refrigeración inadecuada puede acelerar la degradación de las celdas, reducir la capacidad útil e incluso provocar incidentes de fuga térmica.
Los sistemas de almacenamiento de energía permiten suavizar la producción de energía solar y eólica, reducir el impacto de la intermitencia y la volatilidad, y optimizar el uso de la electricidad mediante carga en horas de baja demanda y descarga en horas pico. Durante un apagón de la red principal, pueden operar en modo isla, asegurando un suministro continuo.
Estos sistemas se integran en todos los niveles de la red eléctrica, desde generación y transmisión hasta distribución y consumo, mejorando la operación de la energía convencional y revolucionando la planificación, diseño, operación y gestión de redes inteligentes.
Los sistemas de almacenamiento de energía permiten suavizar la producción de energía solar y eólica, reducir el impacto de la intermitencia y la volatilidad, y optimizar el uso de la electricidad mediante carga en horas de baja demanda y descarga en horas pico. Durante un apagón de la red principal, pueden operar en modo isla, asegurando un suministro continuo.
Estos sistemas se integran en todos los niveles de la red eléctrica, desde generación y transmisión hasta distribución y consumo, mejorando la operación de la energía convencional y revolucionando la planificación, diseño, operación y gestión de redes inteligentes.
1.Estabilidad de frecuencia
La disminución de la inercia del sistema reduce la capacidad de regulación de frecuencia y aumenta el riesgo de superar los límites operativos.
2.Estabilidad de voltaje
La energía renovable conectada a baja tensión presenta soporte y regulación de voltaje limitados; las fluctuaciones intermitentes generan variaciones de voltaje en los puntos de la red.
3.Estabilidad del ángulo de potencia
La coexistencia de la sincronización de potencia y voltaje complica las características de estabilidad del ángulo de potencia y aumenta la incertidumbre.
4.Oscilaciones de banda ancha
El acoplamiento entre convertidores, controles y líneas se intensifica, dando lugar a problemas de oscilación de banda ancha.
Arranque en negro
El arranque en negro consiste en reiniciar la red eléctrica usando el sistema de almacenamiento como fuente de respaldo tras un apagón masivo. El ESS proporciona la energía necesaria para restaurar gradualmente el funcionamiento normal de la red.
El arranque en negro consiste en reiniciar la red eléctrica usando el sistema de almacenamiento como fuente de respaldo tras un apagón masivo. El ESS proporciona la energía necesaria para restaurar gradualmente el funcionamiento normal de la red.
Ⅰ. Papel de los Arranques en Negro de los Sistemas de Almacenamiento de Energía
En los últimos años, se han producido numerosos apagones de gran escala en todo el mundo. Aunque el desarrollo de las redes inteligentes mejora la capacidad de auto-recuperación de los sistemas eléctricos, la multitud de factores que provocan cortes de energía hace poco realista prevenir completamente los apagones masivos. Por ello, resulta crucial desarrollar planes de recuperación eficaces y fiables para restaurar rápidamente la energía tras un gran apagón, minimizando las pérdidas.
Un arranque en negro del sistema eléctrico consiste en restaurar la energía de todo el sistema habilitando generadores autoarrancables dentro de la red, los cuales ponen en marcha la generación de unidades que no se pueden arrancar por sí mismas. En pocas palabras, el objetivo de un arranque en negro es activar rápidamente más fuentes de energía y así restaurar mayor capacidad de generación.
Ⅱ. Principios de Arranque en Negro de los Sistemas de Almacenamiento de Energía
Como equipos activos de almacenamiento, las estaciones de energía pueden inyectar energía a la red durante periodos de alta demanda, ayudando a aliviar la carga de suministro de la red regional. Durante los periodos de baja demanda, la red carga la estación de almacenamiento, almacenando el exceso de energía. Cuando la red sufre fallos a corto o largo plazo, o un apagón total, la estación de almacenamiento entra en estados operativos correspondientes: sincronización a corto plazo, sincronización a largo plazo y operación en isla.
Una vez reparados los fallos a corto o largo plazo, la estación de almacenamiento y la red se ressincronizan de manera fluida. En la operación en isla, la estación de almacenamiento depende completamente de la energía almacenada para mantener su propio funcionamiento y puede suministrar cargas críticas de la región.
Un proceso típico de arranque en negro consta de tres fases:
1) Inicialización: El sistema de almacenamiento utiliza sus baterías internas para autoarrancarse y establecer un voltaje de bus DC estable.
2) Reconfiguración de la red: Se prioriza restaurar la energía a las subestaciones, ampliando gradualmente el suministro mediante operaciones de cierre de bucle.
3) Restauración de la carga: Siguiendo el principio de "primero lo crítico, luego lo general", se restauran secuencialmente las cargas críticas, como hospitales y estaciones base de comunicación.
Ⅲ. Tecnologías Clave para el Arranque en Negro:
1) Control Coordinado Multi-máquina: Utilizando un algoritmo distribuido coordinado, este sistema logra una sincronización de voltaje del 100 % entre múltiples convertidores de almacenamiento de energía y una supresión de corriente circulante superior al 99 %.
2) Control Basado en la Red: Mediante la tecnología de Generador Síncrono Virtual (VSG), el sistema simula la respuesta de inercia de los generadores síncronos, alcanzando una precisión de regulación de frecuencia de ±0,01 Hz.
3) Resistencia a Choques: Con un algoritmo de amortiguamiento activo, el sistema puede soportar choques de hasta 10 veces la corriente nominal sin desconectarse de la red.
Ⅳ. Diseño del Arranque en Negro para Sistemas de Almacenamiento de Energía
Anteriormente, los generadores diésel (DGE) se utilizaban como fuente de energía para los arranques en negro. Desde el punto de vista ambiental, los generadores diésel producen un ruido y contaminación significativos, mientras que los sistemas de almacenamiento de energía ofrecen cero ruido, sin contaminación y ahorro energético.
Desde el punto de vista económico, aunque los sistemas de almacenamiento requieren una inversión inicial relativamente alta, pueden participar en el mercado de regulación de frecuencia y generar ingresos sostenibles mediante servicios auxiliares de regulación de frecuencia. En cuanto a la velocidad de respuesta, los sistemas de almacenamiento pueden alcanzar la carga completa en segundos como fuente de energía para el arranque en negro, mientras que los DGE requieren aproximadamente 30 segundos. Por lo tanto, los sistemas de almacenamiento ofrecen ventajas claras para los arranques en negro.
Ⅴ. Consideraciones de Diseño para el Arranque en Negro:
Un arranque en negro esencialmente proporciona una fuente adicional de energía fuera de la red VF (suministrando una fuente de energía adicional fuera de la red a la central eléctrica).
1) Primero, seleccionar la batería (capacidad) y la potencia del PCS según la curva de carga real, y diseñar la carga del PCS para la potencia máxima.
2) Para la fuente VF, existen dos modos de control principales: control por droop y control maestro-esclavo.
3) Secuencia de arranque.
4) Arranque de la potencia de cada nodo y selección de la potencia máxima.
5) Duración del arranque (duración de la potencia máxima) para cada nodo.
6) Plan de conmutación de suministro eléctrico una vez completado el arranque.
Debido al arranque en negro, la potencia de carga generalmente varía desde más de diez megavatios hasta decenas de megavatios, pero la potencia máxima actual de un solo equipo PCS es de 2,5 MW, por lo que se necesita conectar múltiples equipos PCS en paralelo para lograr el arranque en negro.
Ⅵ. Tecnología de Control Paralelo de Equipos PCS:
1. Control Droop
Principio: Cada unidad inversora detecta su propia potencia de salida y utiliza la característica droop para determinar la frecuencia y amplitud del voltaje de salida. Cada inversor ajusta finamente la amplitud y frecuencia de su voltaje de salida en fases opuestas para lograr una distribución equilibrada de la potencia activa y reactiva. Si la impedancia del sistema es inductiva y existe una pequeña diferencia de amplitud y fase entre los voltajes de salida de dos inversores fuera de red, el inversor con fase adelantada soportará más potencia activa, mientras que el inversor con mayor amplitud soportará más potencia reactiva. El control droop construye relaciones entre frecuencia y potencia activa, y entre amplitud y potencia reactiva, asegurando que los inversores con mayor potencia activa tengan menor frecuencia (reducción del adelanto de fase) y los que tienen mayor potencia reactiva tengan menor amplitud, logrando así la distribución equitativa de potencia entre los inversores.
Diagrama de Bloques de Control: Incluye un lazo droop de potencia (detección de potencia activa y desviación de amplitud), un lazo de voltaje AC, un lazo de corriente del inductor, modulación SVM y un bucle de sincronización de fase (con ángulo interno ajustado). La detección de amplitud y desviación de fase del voltaje entrega parámetros de control (ganancia proporcional e integral) mediante el lazo de voltaje. Esto se controla luego por el lazo de corriente (para regulación rápida y precisa) y la modulación SVM (modulación por ancho de pulso vectorial espacial), generando finalmente pulsos de disparo IGBT para lograr el balance de potencia.
2. Control Maestro-Esclavo
Principio: Se designa un módulo inversor como maestro y los demás como esclavos. El maestro utiliza control en bucle cerrado de voltaje y corriente, mientras que los esclavos emplean solo el bucle de corriente. Las órdenes de corriente de los esclavos se derivan de la salida del lazo de voltaje del maestro. Se requiere comunicación de alta velocidad para el intercambio de datos entre maestro y esclavos.
Diagrama de Bloques de Control: El maestro incluye el lazo de voltaje AC, el lazo de corriente del inductor, la modulación SVM y el bucle de sincronización de fase (con ángulo interno ajustado); los esclavos incluyen el lazo de corriente del inductor, modulación SVM y bucle de sincronización de fase (con ángulo enviado por el maestro o sincronizado con la fase de voltaje del maestro).
Las diferencias entre las estrategias de control PQ, VF, droop y VSG de los PCS de almacenamiento de energía.
La arquitectura de tres niveles del BMS de almacenamiento de energía: BAU, BCU, BMU
