Artículo técnico: Sistema de almacenamiento FV: Requisitos del sistema de control de un inversor

1. Introducción

La subida del precio de la electricidad y la bajada de los precios de los sistemas fotovoltaicos experimentada en los últimos años, ponen de manifiesto que en la actualidad los costes de generación de energía FV son considerablemente más bajos que el precio de compra de electricidad. Además, la constante caída de las tarifas de inyección a red ha provocado que cada vez más propietarios de instalaciones utilicen la energía que producen, antes que inyectarla a la red. Para maximizar el autoconsumo, los sistemas de almacenamiento se utilizan con frecuencia junto a sistemas de gestión de energía. Estos sistemas de almacenamiento FV exigen que los inversores tengan sistemas de control y flujos de energía más complejos que los que presentaban hasta ahora, dado que se enfocan no solamente en la maximización del autoconsumo, sino también en funciones adicionales como:

/ Programación optimizada del inversor para aprovechar la carga en tarifas valle

/ Mejorar la calidad de la red

/ Función de emergencia en caso de apagón

Este artículo detalla las nuevas características técnicas que se le exigen a los inversores actuales para cumplir estas funciones, y que el Fronius Symo Hybrid ya cumple.

2. Flujo de energía en sistemas de almacenamiento

En general, un sistema de almacenamiento FV puede trabajar con los siguientes cinco flujos de carga (imagen 1).

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Imagen 1: Flujos de energía en sistema de almacenamiento

1. Generador FV → inversor: energía FV
2. Inversor → consumidor o inyección a red
3. Inversor → batería: carga de la batería
4. Batería → inversor: descarga de la batería
5. Red Corriente Alterna → inversor: carga de la batería con energía de la red CA

Los dos primeros flujos de energía son típicos de sistemas FV sin función de almacenamiento.

Sin embargo, los sistemas con almacenamiento tienen que ser capaces de manejar los flujos de energía 3 y 4 para poder cargar y descargar la batería. El flujo de energía 5, que carga la batería de la red CA, no es un requisito obligatorio de un sistema con almacenamiento, y por tanto no todos los sistemas con almacenamiento presentan esta opción.

Este último modo de funcionamiento permite muchas aplicaciones adicionales, algunas ya importantes en la actualidad y otras que lo serán en el futuro, como se muestra en los ejemplos a continuación:

2.1. Función de carga CA

Aunque la función de carga CA no es la más relevante para optimizar el autoconsumo, al realizar un análisis más detallado, se demuestra que muchas aplicaciones no son posibles si esta función no está disponible. La carga a través de corriente alterna puede tener lugar tanto utilizando fuentes de energía propias o privadas (hogares) como las redes púbicas (suministros de red). Ejemplos de aplicaciones de carga CA se pueden analizar desde la perspectiva de los tres siguientes grupos de interés:

2.1.1. Desde el punto de vista del operador del sistema

/ Acoplamiento con otras fuentes de energía (acoplamiento CA)
En los últimos años ha habido un creciente aumento de pequeñas instalaciones con producción combinada de calor y electricidad (micro CHP) e incluso de parques eólicos de baja potencia en el mercado. En estos sistemas, la energía eléctrica está disponible incluso cuando el rendimiento FV es bajo, es decir en invierno, y el sistema de almacenamiento FV está funcionando por debajo de su capacidad. La función de carga CA permite almacenar temporalmente el exceso de energía que proviene de fuentes complementarias, para utilizarse con posterioridad.

Además, el acoplamiento CA permite instalar el sistema de almacenamiento en un sistema FV existente.
/ Conservación de la carga
Si durante largos períodos tenemos disponible poca o ninguna energía FV (ya sea causado por módulos defectuosos, generadores FV cubiertos de nieve u otros factores), la función de carga CA impide la descarga total del sistema de almacenamiento y el derivado deterioro prematuro de la batería.
/ Carga mínima en situaciones de emergencia
La configuración de muchos sistemas de almacenamiento FV incluye la función de suministro de energía de emergencia en caso de corte o parada en la red. Independientemente de las condiciones de aislamiento, la carga CA asegura una capacidad mínima en el sistema de almacenamiento. De este modo, también se puede planificar si habrá suficiente tiempo para completar la carga del sistema en caso de corte o parada en la red.

2.1.2. Desde el punto de vista de los usuarios del mercado eléctrico

/ Tarifas eléctricas con discriminación horaria
La aparición de contadores eléctricos inteligentes, o Smart Meters, ha supuesto a las compañías distribuidoras eléctricas ofrecer a sus clientes tarifas de electricidad con discriminación horaria. Así, el sistema de almacenamiento puede abastecerse con electricidad de la red en los tramos de precios bajos, para usar esta energía durante los tramos con precios más altos. Esto es especialmente útil en los momentos con menor nivel de insolación.
/ Uso de sistemas de almacenamiento flexibles para la optimización y equilibrio de la red eléctrica
El papel de los mercados eléctricos (mercados kWh), y los respectivos protagonistas, es buscar el mayor equilibrio posible entre oferta (producción) y demanda (consumo) antes de que se necesite la electricidad. Para la mejor integración de estas fuentes de energía en el mercado, sobretodo la energía FV y la eólica debido a sus fluctuaciones naturales, se necesitan herramientas de previsión con variedad de opciones. Una de estas opciones son las baterías de almacenamiento descentralizado (se combinan para formar una “central eléctrica virtual”).

2.1.3. Desde el punto de vista del operador de la red eléctrica

/ Mejora de la calidad de la red
El elevado incremento de sistemas FV conectados a la red eléctrica se traduce en una mayor responsabilidad por parte de éstos en prestar servicio y calidad a la red. El uso de sistemas de almacenamiento supone que los sistemas FV pueden jugar un papel determinante en el mantenimiento de los valores de tensión y frecuencia necesarios en la red de distribución. La función adicional que posibilita cargar las baterías con electricidad de la red CA (previo paso por el inversor CC), dota al sistema FV de una mayor versatilidad.
/ Participación en el mercado de balance eléctrico
El operador de la red eléctrica compensa los desequilibrios eléctricos mediante la gestión de la producción eléctrica cuando dicha producción y la demanda instantánea no coinciden en el tiempo. El control de la energía eléctrica por tanto se lleva a cabo en función de las necesidades de la red para conseguir un equilibrio entre la demanda y la producción eléctrica. Del mismo modo que el operador del sistema eléctrico usa esta capacidad de la red (ver más abajo), la batería de almacenamiento descentralizado ofrece una opción flexible de gestión eléctrica en función de las necesidades el usuario y de la red.

3. Tecnología Multi Flow

Los flujos de energía descritos en la sección anterior son necesarios para asegurar el mejor funcionamiento del sistema de almacenamiento FV. No sólo se requiere el inversor para estos modos de funcionamiento, también es relevante saber si los flujos de corriente pueden fluir en paralelo (simultáneamente). La tecnología Multi Flow utilizada en la serie Fronius Symo Hybrid representa un amplio enfoque del control de flujo de energía en el que el inversor se convierte en el centro de control inteligente de todos los flujos actuales. Los siguientes ejemplos muestran las ventajas de los sistemas de almacenamiento con tecnología Multi Flow.

/ Suministro simultáneo del sistema FV y la batería al hogar

Para cubrir las necesidades de energía en el hogar, el sistema FV suministra energía, siendo cualquier déficit cubierto por la batería.

Si no se dispone de tecnología Muli Flow, es decir, si los flujos de energía no pueden suceder en paralelo, la energía FV no sería capaz de cubrir las necesidades del hogar, aunque tuviéramos energía almacenada en la batería. Por otro lado, el sistema FV tendría desactivarse, produciéndose una pérdida de energía.

/ Carga de batería y suministro del hogar con energía FV

En caso de que la potencia del sistema FV supere el consumo del hogar, la energía excedente se almacena en la batería. Este exceso de energía no es vertido a la red hasta que la batería esté completamente cargada.

Sin la tecnología Multi Flow el inversor tendría que reducir su potencia, produciéndose una pérdida de energía.

/ Suministro del hogar y carga de baterías simultáneos con energía FV y otros productores de energía

Para cubrir las necesidades de energía en el hogar se utiliza energía producida por el sistema FV y la de otros productores de energía (por ej. Un pequeño generado eólico o CHP), almacenándose el sobrante de energía al mismo tiempo en la batería. De este modo se consigue un nivel de autonomía mucho mayor, incluso en los meses de invierno.

Sistemas sin tecnología Multi Flow no son capaces de utilizar la batería para almacenar temporalmente la energía de otros productores de energía.

/ Cubrir el consumo en situaciones de emergencia utilizando energía FV y una batería

En situaciones de emergencia, el consumo del hogar puede ser cubierto simultáneamente por un sistema FV y una batería. Por lo tanto, la operación de emergencia funciona incluso cuando la batería está descargada, suponiendo que la potencia producida es mayor que la consumida.

En el caso de un sistema sin tecnología Multi Flow, a menudo la energía del sistema FV no se puede utilizar para operaciones de emergencia y, por lo tanto, se pierde.

4. Resumen

Las exigencias de los inversores en un sistema de almacenamiento son mayores que las de un sistema FV convencional sin función de almacenamiento. El inversor de un sistema de almacenamiento moderno debe realizar el control inteligente para cada flujo de energía así como para la maximización del nivel de autoconsumo. Para garantizar que no haya pérdida de energía y obtener los niveles de eficiencia energética más altos, todos los flujos de energía deben poder ser suministrados al mismo tiempo. Para ciertas aplicaciones esto solo es posible con la función de carga CA, adquiriendo por tanto una mayor importancia esta función.

El Fronius Energy Package y la tecnología Multi Flow cumplen las estrictas exigencias del sistema de control de un sistema de almacenamiento moderno. La tecnología Multi Flow permite que el sistema de almacenamiento se pueda utilizar con una amplia variedad de aplicaciones, tanto ahora como en el futuro.

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