Las diferencias entre las estrategias de control PQ, VF, droop y VSG de los PCS de almacenamiento de energía.
2025-09-25
El convertidor de almacenamiento de energía PCS, también conocido como inversor bidireccional de almacenamiento de energía, es el componente central que permite el flujo bidireccional de energía eléctrica entre el sistema de almacenamiento y la red eléctrica. Se utiliza para controlar el proceso de carga y descarga de la batería y realizar la conversión AC/DC.
1. Principio de funcionamiento del convertidor de almacenamiento de energía
El principio de funcionamiento del convertidor PCS se basa principalmente en la tecnología de electrónica de potencia, logrando la conversión de energía y el flujo bidireccional mediante el control de los dispositivos de conmutación.
- Modo de descarga: Cuando la red requiere que el sistema de almacenamiento descargue energía, el convertidor PCS transforma la energía DC de la batería de almacenamiento en energía AC y la entrega a la red.
- Modo de carga: Cuando la red requiere que el sistema de almacenamiento se cargue, el convertidor PCS convierte la energía AC de la red en energía DC y la almacena en la batería.
Durante el proceso de carga y descarga, el convertidor PCS también necesita un control preciso de potencia y gestión de energía basado en la demanda de la red y el estado de la batería, para garantizar un funcionamiento estable y una utilización eficiente del sistema de almacenamiento de energía.
2. Modos de operación del convertidor de almacenamiento de energía
Cuando el sistema de almacenamiento de energía está conectado a la red principal, es decir, cuando el PCS opera en modo conectado a la red, el sistema de almacenamiento de energía se considera típicamente un nodo PQ, y su PCS suele emplear una estrategia de control PQ simple y fácil de implementar (con el control de potencia como objetivo).
Cuando el sistema de almacenamiento de energía está desconectado de la red, es decir, cuando el PCS opera en modo aislado, los métodos de control comunes incluyen el control maestro-esclavo y el control por caída (droop). El control maestro-esclavo (control VF, proporcionando referencias de voltaje y frecuencia) utiliza curvas de caída de potencia activa y frecuencia, así como curvas de caída de voltaje y potencia reactiva. Existen tres modos: modo conectado a la red, modo aislado y modo híbrido.
2.1 Modo conectado a la red
En modo conectado a la red, el PCS realiza la conversión bidireccional de energía entre el banco de baterías y la red, y también presenta las características de un inversor. Las características clave incluyen: Protección anti-isla: En caso de un corte de red, el PCS detiene automáticamente el suministro de energía a la red, evitando el efecto de isla.
Sincronización con la red: El PCS rastrea automáticamente la fase y la frecuencia del voltaje de la red para garantizar un funcionamiento sincronizado con la red. Soporte ante caídas de voltaje: Durante breves caídas de voltaje en la red, el PCS mantiene el funcionamiento, garantizando la estabilidad del sistema eléctrico.
Las aplicaciones específicas son las siguientes: Carga fuera de punta: Durante períodos de baja carga de la red, el PCS convierte la energía AC de la red en energía DC para cargar la batería. Durante este período, el PCS utiliza sus capacidades de gestión de carga y descarga de la batería para garantizar una carga eficiente y segura.
Descarga máxima: Durante períodos de máxima carga de la red, el PCS invierte la energía DC de la batería a energía AC y la suministra de nuevo a la red pública, aliviando la presión sobre la red.
Regulación de calidad de energía: Durante períodos de mala calidad de energía, el PCS puede inyectar o absorber potencia activa en la red y, al mismo tiempo, proporcionar compensación de potencia reactiva para mejorar la calidad de la energía.
2.2 Modo aislado
El modo aislado, también conocido como modo de operación en isla, se refiere a situaciones en las que el PCS puede desconectarse de la red principal y suministrar energía de manera independiente a las cargas locales.
Las funciones principales de este modo incluyen:
Suministro de energía independiente: Cuando la red no puede proporcionar electricidad estable, el PCS puede, según los requisitos preestablecidos, suministrar de manera independiente energía AC que cumpla con los requisitos de calidad de energía de la red a las cargas locales.
Suministro de energía de emergencia: En caso de fallo de la red o corte de energía causado por desastres naturales, el PCS puede cambiar rápidamente al modo aislado para garantizar un suministro continuo de energía a las cargas críticas.
2.3 Modo híbrido
El modo híbrido es un modo de operación avanzado para sistemas de almacenamiento de energía, que permite cambiar de manera flexible entre los modos conectado a la red y aislado, garantizando la fiabilidad y flexibilidad del sistema.
Operación en microrred: El sistema de almacenamiento de energía se encuentra dentro de la microrred. Bajo circunstancias normales, la microrred está conectada a la red pública y el PCS opera en modo conectado a la red.
Cambio a modo aislado: Si la microrred se desconecta de la red pública, el PCS cambia inmediatamente al modo aislado, proporcionando la fuente principal de energía para la microrred.
Aplicaciones versátiles: El modo híbrido no solo proporciona filtrado, estabilización de la red y control de la calidad de la energía, sino que también permite la autorreparación y la restauración de energía en caso de fallo.
Aplicaciones versátiles: El modo híbrido no solo proporciona filtrado, estabilización de la red y control de la calidad de la energía, sino que también permite la autorreparación y la restauración de energía en caso de fallo.
Escenarios comunes de aplicación:
Regulación de potencia: Cambiando frecuentemente los modos de operación, se ajustan la frecuencia y el voltaje de la red para mantener la estabilidad del sistema eléctrico.
Autorrecuperación: En caso de fallo en la red, el sistema de almacenamiento de energía cambia automáticamente al modo aislado para restaurar rápidamente el suministro eléctrico.
Autorrecuperación: En caso de fallo en la red, el sistema de almacenamiento de energía cambia automáticamente al modo aislado para restaurar rápidamente el suministro eléctrico.
3. Control de seguimiento y construcción de red
Para entender las diferencias entre las cuatro estrategias de control, primero debemos establecer un marco de clasificación de alto nivel. Este marco simplifica problemas complejos de control en una relación binaria básica: “líder” y “seguidor”. Estos dos roles, construcción de red y seguimiento de red, definen la interacción fundamental entre el inversor y la red.
- Control de seguimiento de red: Un “seguidor fiel” de la red.
El núcleo del control de seguimiento de red funciona como un seguidor fiel o una fuente de corriente controlada respecto a la red. La tarea principal de un inversor de seguimiento de red es adaptarse a una red estable existente y seguirla. Mediante su circuito interno de bucle de enganche de fase (PLL), detecta y se sincroniza con precisión con la forma de onda de voltaje de la red externa, ajustando su frecuencia y fase. Una vez sincronizado, inyecta o absorbe cantidades específicas de potencia activa (P) y reactiva (Q) según las instrucciones del sistema de despacho de nivel superior o valores preconfigurados internamente. - Control de construcción de red: Un constructor activo de la red.
En esencia, el control de construcción de red actúa como un constructor de red activo o una fuente de voltaje controlada. A diferencia del seguimiento de red pasivo, los inversores de construcción de red generan y mantienen proactivamente una red de CA independiente. No dependen de una red externa, sino que generan de manera autónoma una forma de onda de voltaje estable que define la amplitud y frecuencia del sistema. Esto permite la operación independiente sin el soporte de la red principal, como en modos isla, microrredes o arranques en negro (black start).
La figura siguiente compara las capacidades de las cuatro principales estrategias de control y detalla sus principios, funciones y diferencias según sus capacidades.
4. Comparación de diferentes estrategias de control
| PQ | V/F | Droop | VSG | |
|---|---|---|---|---|
| Tipo de control | Seguidor de red (GFL) | Formador de red (GFM) | Formador de red (GFM) | Formador de red (GFM) |
| Objeto de control | Corriente de salida (control P/Q) | Tensión de salida (V/F constante) | Tensión de salida (V/I caída) | Tensión de salida (simulación de generador) |
| Principios básicos | Bucle de corriente dq desacoplado | Referencia de tensión fija interna | Curva de caída P–I/Q–V | Ecuación virtual de máquina síncrona |
| Soporte inercial | Ninguno | Ninguno | Ninguno | Sí (ventaja clara) |
| Capacidades de isla | Ninguna | Sí (autónomo) | Sí (múltiples máquinas en paralelo) | Sí (múltiples máquinas en paralelo) |
| Capacidad paralela | Solo conectada a la red principal | Ninguna | Paralelo autónomo | Paralelo autónomo |
| Complejidad | Baja | Baja | Media | Más alta |
| Escenarios típicos | Conexión/control de red |
Máquina única fuera de red/UPS
|
Conexión en paralelo de múltiples máquinas en microrred aislada | Red débil / alta proporción de energías renovables |
4.1 Control PQ:
Principio típico de control Grid-Following: El núcleo de esta estrategia se basa en el control desacoplado de corriente en el sistema de coordenadas d-q giratorio.
Primero, se utiliza un PLL (bucle de enganche de fase) para sincronizar la fase de la tensión de la red.
Luego, la potencia trifásica se transforma al sistema de coordenadas síncronas d-q. En este sistema, la potencia activa P se relaciona principalmente con la corriente del eje d, y la potencia reactiva Q con la corriente del eje q. Usando dos controladores PI independientes para ajustar las componentes de corriente d y q, se logra un control rápido e independiente de P y Q.
4.2 Control V/F:
Principio básico de control basado en la red: El principio del control V/F es muy sencillo.
El controlador genera internamente una onda sinusoidal ideal con amplitud y frecuencia fijas como señal de referencia de tensión. Luego, mediante un sistema de control de doble lazo compuesto por tensión y corriente, se mide en tiempo real la tensión en los terminales de salida del inversor y se compara con la señal de referencia interna.
El regulador PI impulsa el módulo PWM, forzando que la tensión de salida siga con precisión esta referencia interna.
Esencialmente, esto es una característica de “fuente de tensión”: el propio inversor establece la referencia de amplitud y frecuencia de la tensión, actuando efectivamente como una “mini-red” independiente.
4.3 Control Droop:
Principio de control avanzado de configuración de red: El control droop amplía el control V/F incorporando las características f-P droop (frecuencia-potencia activa) y V-Q droop (tensión-potencia reactiva).
Por ejemplo, si un convertidor supera su potencia nominal, el control reduce proporcionalmente su frecuencia de consigna, haciendo que otros convertidores absorban más carga, logrando un balance automático de potencia entre múltiples convertidores.
Ventajas: Permite distribución de potencia entre convertidores en paralelo sin necesidad de comunicación, alta fiabilidad, ideal para microrredes distribuidas (parques industriales, aldeas).
Limitaciones: Presenta errores en estado estable, la frecuencia y tensión se desvían de sus valores nominales al variar la carga. La precisión de distribución se ve afectada por la impedancia de línea, la respuesta dinámica es relativamente lenta y solo proporciona amortiguamiento, no soporte inercial.
Limitaciones: Presenta errores en estado estable, la frecuencia y tensión se desvían de sus valores nominales al variar la carga. La precisión de distribución se ve afectada por la impedancia de línea, la respuesta dinámica es relativamente lenta y solo proporciona amortiguamiento, no soporte inercial.
4.4 Control VSG:
Principio avanzado de control Grid-Forming: El VSG mejora el control droop incorporando un factor de inercia (simulando la inercia del rotor de una máquina síncrona) y un factor de amortiguamiento (para suprimir fluctuaciones de frecuencia).
Además, permite respuesta dinámica de potencia activa mediante ajuste del ángulo de potencia virtual. Por ejemplo, si la frecuencia de la red cae repentinamente, el VSG libera energía almacenada (simulando inercia) para mitigar la caída de frecuencia, similar a una máquina síncrona real.
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