¿Qué es la tecnología VSG y cuáles son sus aplicaciones en el almacenamiento de energía?
2025-12-17
Con el rápido aumento de la proporción de fuentes de energía renovable intermitente, como la eólica y la solar, en la red eléctrica, la red tradicional está experimentando una transformación disruptiva. La “inercia” de la red eléctrica —la barrera natural que mantiene la estabilidad de la frecuencia de la red y resiste perturbaciones instantáneas— se está debilitando. En este contexto, ha surgido el almacenamiento de energía conectado a la red, y la tecnología más fundamental es lograr la “conexión paralela a la red” mediante convertidores de almacenamiento de energía (PCS). Este artículo profundiza en esta tecnología clave.
El almacenamiento de energía conectado a la red con VSG (Generador Síncrono Virtual) es una tecnología que permite a los sistemas de almacenamiento de energía simular las características de los generadores síncronos tradicionales. Proporciona de manera activa soporte de voltaje y frecuencia para lograr la función de “conexión a la red” en un sistema “fuente-red-carga-almacenamiento”, en lugar de responder pasivamente a los comandos de la red.
Su ventaja principal es la mejora de la estabilidad de la red, especialmente en escenarios con alta integración de energía renovable. Puede compensar la falta de inercia de fuentes de energía fluctuantes, como la fotovoltaica y la eólica, haciendo que la red sea más “resistente a perturbaciones”.
Ventajas principales de la tecnología VSG en aplicaciones de almacenamiento de energía:
1. Proporcionar soporte inercial y de amortiguamiento, mejorando la estabilidad del sistema
La tecnología VSG simula la inercia del rotor de un generador síncrono mediante algoritmos de software. Esto proporciona soporte inercial virtual cuando la frecuencia de la red fluctúa rápidamente (como cambios abruptos de carga o variaciones repentinas en la generación renovable), suprimiendo cambios drásticos de frecuencia. Al mismo tiempo, simula las características de amortiguamiento de un generador, suprimiendo efectivamente las oscilaciones de potencia en el sistema eléctrico y mejorando la estabilidad dinámica y la capacidad de rechazo a perturbaciones del sistema.
2. Lograr operación independiente y suministro eléctrico en isla
En escenarios de microrred o fuera de la red, el convertidor de almacenamiento de energía en modo VSG (PCS) puede establecer y mantener de manera proactiva un voltaje y frecuencia de CA estables y confiables, proporcionando energía continua a las cargas locales sin depender de la red externa. Esto es crucial para áreas remotas, islas o cargas críticas que requieren alta confiabilidad energética (como hospitales y centros de datos).
3. Mejorar la calidad de la energía y el soporte de voltaje
El control VSG puede ajustar dinámicamente la salida de potencia reactiva según sea necesario, respondiendo rápidamente a cambios de carga o fallas, apoyando de manera efectiva el voltaje local de la red, mejorando la calidad de la energía y reduciendo caídas y fluctuaciones de voltaje.
4. Mayor capacidad de absorción de energía renovable
Al simular las características “amigables” de los grupos electrógenos tradicionales, la tecnología VSG permite que fuentes de energía renovable, como la fotovoltaica y la eólica, a través de interfaces electrónicas de potencia, posean capacidades de inercia y regulación de frecuencia similares a las de las máquinas síncronas. Esto incrementa significativamente su tasa de penetración en la red y mejora la capacidad de la red para acomodar fuentes de energía intermitentes.
5. Conmutación flexible entre conexión a red y operación aislada
En sistemas híbridos de energía, como fotovoltaica-almacenamiento-diésel, el modo VSG puede combinarse de manera flexible con el control tradicional PQ (potencia constante), control VF (voltaje y frecuencia constantes) y otros modos. Por ejemplo, al operar en paralelo con un generador diésel, el modo VSG puede mejorar la respuesta dinámica del sistema, reducir fallas en la conmutación de conexión a la red causadas por la inestabilidad de las características del motor diésel y lograr una conmutación de suministro eléctrico suave y sin interrupciones.
Los desafíos técnicos principales del almacenamiento de energía conectado a la red en modo VSG se concentran principalmente en tres aspectos:
1. Control preciso de inercia y amortiguamiento:
Se requiere un ajuste dinámico que coincida con las demandas reales de la red. Un amortiguamiento excesivo provoca una respuesta lenta, mientras que un amortiguamiento insuficiente no suprime eficazmente las perturbaciones, lo que hace que el equilibrio sea extremadamente difícil.
2. Control coordinado de múltiples unidades:
Durante la operación de clústeres a gran escala, cada unidad VSG debe evitar oscilaciones de frecuencia o voltaje y lograr una sincronización precisa para prevenir la “inestabilidad de múltiples unidades”.
3. Capacidad de soportar fallas y estrategias de protección:
Mientras se proporciona soporte rápido durante fallas en la red, la lógica de protección debe también prevenir daños por sobrecorriente y sobretensión. Es necesario equilibrar el “soporte” con la “seguridad”.
Antecedentes de la aplicación
En áreas remotas y aplicaciones en islas, donde no hay conexión a la red eléctrica principal, se requiere una red fotovoltaica-papel de almacenamiento completamente aislada. Además, en aplicaciones de energía de respaldo a gran escala, múltiples PCS (unidades del Sistema de Conversión de Energía) deben conectarse en paralelo en modo fuera de la red.
La conexión paralela tradicional de PCS fuera de la red con control VF (Frecuencia Variable) está limitada por la tasa de carga de comunicación, restringiendo la capacidad total de la red y la distancia de comunicación (dentro de 50 m). Además, en modo fuera de la red, no puede controlar activamente la potencia ni implementar estrategias de balance de SOC (Estado de Carga), lo que afecta la estabilidad de todo el sistema y aumenta los costos de mantenimiento.
Función de Balance de SOC en Línea fuera de la Red
1. Arquitectura de Comunicación Tradicional VF
La operación en paralelo en modo VF tradicional requiere una conexión mediante línea de comunicación CAN, lo que limita la distancia de comunicación y el número de unidades que se pueden conectar en paralelo (4–6 unidades en operación paralela fuera de la red). Además, en modo fuera de la red, no se pueden controlar la potencia activa ni reactiva, lo que conduce fácilmente a un desequilibrio del SOC.
2. Arquitectura Paralela VSG
En modo VSG, la operación en paralelo no requiere conexión de cables de comunicación. El EMS solo necesita controlar individualmente los comandos de regulación secundaria de frecuencia y voltaje de cada PCS para mantener la estabilidad del sistema. Actualmente, se pueden conectar hasta 12 unidades en paralelo. En modo fuera de la red, los comandos de carga y descarga de cada PCS se pueden controlar por separado mediante comandos de regulación secundaria de frecuencia.
3. Esquema de Comunicación para Red en Paralelo de Múltiples Unidades fuera de la Red
3.1 Conexión Paralela VSG Multi-rack sin Comunicación
Método de Control: El EMS envía un comando de encendido a cualquier máquina a través de la línea de comunicación. La máquina establece el voltaje y luego envía los comandos de encendido a las máquinas esclavas de manera secuencial para arrancarlas, con un intervalo de 30 segundos.
3.2 Conexión Paralela VSG Multi-rack con Comunicación Débil
Método de control: El EMS envía un comando de encendido a todas las máquinas a través de la línea de comunicación. Las máquinas maestro y esclavas se sincronizan automáticamente y arrancan de manera automática una vez confirmado el comando.
Función de comunicación débil: Capaz de realizar arranque en negro sincronizado con un solo botón y sincronización de comandos de energía.
3.3 Conexión paralela multi-rack con comunicación débil y red de larga distancia sin comunicación
Método de control: El EMS primero envía un comando de encendido al host con la mayor capacidad de grupo CAN a través de la línea de comunicación. Después de completar el encendido, envía comandos de encendido a los hosts de los grupos de comunicación CAN con capacidades decrecientes de manera secuencial, esperando entre 30 y 60 segundos entre cada uno.
Ruta de implementación y desafíos técnicos
Lograr un PCS conectado a la red no es tarea sencilla, enfrentando múltiples desafíos:
1. Algoritmo de control central:
Se necesitan algoritmos VSG de alta precisión y robustos, y parámetros clave como la inercia virtual y el amortiguamiento deben optimizarse para adaptarse a condiciones complejas de la red.
2. Capacidad de sobrecorriente del hardware:
Para proporcionar soporte a la red, el PCS debe soportar corrientes varias veces su valor nominal durante procesos transitorios, lo que exige mayor capacidad en los dispositivos de potencia y un diseño eficiente de disipación de calor.
3. Operación y coordinación de múltiples máquinas en paralelo:
Cuando varios PCS conectados a la red operan en paralelo, es crucial evitar oscilaciones de potencia e interferencias mutuas, y lograr una operación coordinada y estable con reparto de corriente.
4. Normas y especificaciones:
Los estándares globales para tecnologías de conexión a la red aún están en desarrollo, requiriendo esfuerzos conjuntos de la industria y la academia.
Conclusión
El PCS conectado a la red basado en VSG no es simplemente una actualización tecnológica, sino un concepto revolucionario. Indica que nuestra red eléctrica está pasando de un modelo “host-terminal” dependiente de unos pocos grandes generadores síncronos a un modelo “peer-to-peer” construido por innumerables “generadores virtuales” distribuidos e inteligentes.
En los futuros sistemas eléctricos dominados por energías renovables, el PCS conectado a la red dejará de ser un “accesorio” de la red eléctrica y se convertirá en una “piedra angular” y una “fuerza estabilizadora” que soporta su operación segura, estable y eficiente. Quien lidere en este campo tecnológico tomará la iniciativa en la futura revolución energética.
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