Condensadores síncronos

Dado que se han ido cerrando centrales térmicas que utilizaban carbón o fuel como combustible, es posible utilizar sus enormes alternadores para transformarlos en condensadores síncronos, con el fin de proporcionar inercia y potencia de cortocircuito a la red eléctrica, a la vez que su enorme masa giratoria también proporciona o absorbe energía reactiva. Los condensadores síncronos conectados en paralelo también ayudan a estabilizar la red mediante la recuperación de tensión durante las fallas. Esto cobra cada vez mayor importancia con el aumento de la proporción de generación de energía renovable, que conlleva una escasez de potencia de cortocircuito e inercia.

La compañía eléctrica irlandesa ESB, con la colaboración de SIEMENS, inauguró el 21 de diciembre de 2022, en el recinto de su central térmica de carbón de Moneypoint, un condensador síncrono, dotado de un gran volante de inercia, capaz de inyectar 4000 MW para estabilizar la red. Esta potencia es equivalente a la de las dos unidades juntas de la central de carbón que este año ha de dejar de producir electricidad. 

Moneypoint se convertirá en el centro de construcción y montaje de aerogeneradores flotantes, comenzando con parques eólicos marinos flotantes de 1.500 megavatios (suficientes para abastecer a 1,6 millones de hogares), y se convertirá en una central capaz de producir, almacenar y proporcionar generación de energía con hidrógeno verde libre de carbono. 

El nuevo condensador síncrono ubicado en un edificio blanco (abajo a la derecha) comparte una conexión a la red con una de las unidades térmicas de la central eléctrica de Moneypoint (arriba en el centro).

Las turbinas eólicas no están conectadas directamente a la red eléctrica como una turbina de vapor o de gas. Esto significa que es más difícil mantener la frecuencia de la red dentro de su rango normal de variación. En resumen, la falta de inercia en la red afecta a su frecuencia. Si la frecuencia se descontrola, una parte del sistema debe dejar de funcionar, lo que a su vez genera una gran tensión en el resto de la red, lo que puede provocar apagones. Actualmente, la red eléctrica irlandesa obtiene su inercia de plantas convencionales. El condensador síncrono ofrece una alternativa baja en carbono que será sumamente beneficiosa para la red irlandesa en épocas de alto consumo de energías renovables.

Con la incorporación del volante de inercia más grande del mundo, el condensador sincrónico tiene una capacidad de inercia mucho mayor, lo que permite conectar más energías renovables a la red irlandesa.

Juntos, el volante de inercia y el condensador síncrono tienen una inercia de 4.000 megavatios-segundo. Se trata pues de un volante de inercia que pesa más de 130 toneladas y un condensador síncrono con un rotor que pesa más de 66 toneladas: un peso enorme que gira a 3.000 rpm, actuando como estabilizador y permitiendo conectar más energía eólica a la red eléctrica.

En este momento se estaba descargando carbón de un granelero en el muelle de aguas profundas de la central eléctrica de Moneypoint, un lugar ideal para en su día cargar aerogeneradores marinos flotantes.

Aquí en la costa oeste de Irlanda hay más días en que sopla el viento que en cualquier otro lugar de Europa. Algunos informes hablan de 50 a 60 gigavatios de potencia eléctrica. Otros sugieren 120 gigavatios. El pico nacional en Irlanda es de 7 gigavatios. Así que, incluso con las previsiones de energía eólica más bajas, 50 o 60 gigavatios es una cantidad enorme y ofrece a Irlanda la oportunidad de desarrollar su independencia energética.

Poco antes de su descarga, el condensador síncrono llega al estuario de Shannon, cercas de Moneypoint, en una barcaza de cubierta plana (solo el volante pesa más de 130 toneladas).

La inercia y la energía de cortocircuito son elementos clave para la estabilidad de la red; sin embargo, su disponibilidad se está reduciendo. Esto se debe a la incorporación de la generación de energía basada en energías renovables a la combinación energética, la eliminación gradual de las centrales térmicas, los nuevos sistemas HVDC y la extensión de los sistemas de suministro de energía a áreas remotas. Todo esto influye en la estabilidad de las redes de transmisión, lo que resulta en un renacimiento mundial del condensador síncrono. La solución de condensador síncrono de Siemens Energy comprende un generador síncrono horizontal conectado a la red de transmisión de alta tensión a través de un transformador elevador. Se arranca y se detiene con un motor eléctrico controlado por frecuencia (motor pony) o un convertidor de frecuencia de arranque. Cuando el generador ha alcanzado la velocidad síncrona de operación, se sincronizará con la red de transmisión y la máquina funciona como un motor que proporciona energía reactiva y de cortocircuito a la red de transmisión.

Este proyecto forma parte de la iniciativa Green Atlantic @ Moneypoint de la ESB (Electricity Supply Board), que busca transformar la planta de carbón en un centro de energía renovable. El compensador síncrono desempeña un papel crucial al proporcionar servicios esenciales para la estabilidad de la red, como inercia, potencia reactiva y potencia de cortocircuito, facilitando así una mayor integración de fuentes renovables como la eólica y la solar en el sistema eléctrico irlandés.

Condensadores síncronos

Un condensador síncrono (también llamado condensador síncrono o compensador síncrono) es una solución convencional que se ha utilizado durante décadas para regular la potencia reactiva antes de que existieran sistemas de compensación de electrónica de potencia.

Un condensador síncrono es una máquina síncrona (grandes generadores rotatorios) excitada por corriente continua (CC) cuyo eje no está conectado a ningún equipo de accionamiento. Este dispositivo proporciona una mejor regulación y estabilidad del voltaje mediante la generación/absorción continua de potencia reactiva ajustable y la mejora de la resistencia del sistema de red mediante su contribución inherente a la corriente de cortocircuito. Además, se puede añadir un volante de inercia para mejorar la estabilidad de la frecuencia de la red proporcionando inercia síncrona adicional. Su propósito no es convertir energía eléctrica en mecánica ni viceversa, sino aprovechar las capacidades de control de potencia reactiva de la máquina, la contribución a la corriente de cortocircuito y la inercia síncrona. Constituye una solución alternativa a los condensadores conmutados mecánicamente con red de amortiguamiento (MSCDN) o a las bobinas de compensación en el sistema eléctrico gracias a su capacidad para ajustar continuamente la potencia reactiva en ambas direcciones. Su capacidad de sobrecarga también es superior a la de los compensadores estáticos de var (SVC) o los compensadores estáticos síncronos (STATCOM) de la misma capacidad.

Los condensadores síncronos son perfectamente adecuados para controlar la tensión en líneas de transmisión largas o en redes con una alta penetración de dispositivos electrónicos de potencia, así como en sistemas donde existe un alto riesgo de “islamiento”.

Tipos de tecnología

Un condensador síncrono convencional es un motor síncrono de corriente alterna (CA) independiente de cualquier equipo accionado. Este dispositivo proporciona un control continuo de la potencia reactiva mediante el control de excitación de campo. Puede utilizarse con sistemas estáticos y sin escobillas. Al aumentar o disminuir la corriente de campo, el sistema permite que la máquina genere o absorba potencia reactiva, manteniendo así la estabilidad de la tensión y regulando el flujo de potencia reactiva en el sistema eléctrico. Con un diseño adecuado, el dispositivo puede suministrar varias veces (normalmente de 2 a 2,5 veces) la corriente y la tensión de campo nominales (capacidad de forzamiento de campo) durante un máximo de 10 segundos, lo que ofrece soporte para la recuperación dinámica de la tensión en condiciones de baja tensión de la red. Los condensadores síncronos se han utilizado tradicionalmente tanto en distribución como en transmisión para mejorar la estabilidad y mantener las tensiones dentro de los límites deseados en condiciones de carga cambiantes y situaciones de contingencia. Cabe destacar que también existen pérdidas eléctricas asociadas al condensador síncrono, que corresponde a la potencia activa que el dispositivo consumirá en un punto de funcionamiento diferente. Estas pérdidas eléctricas inciden directamente en el coste operativo de la planta de condensadores síncronos.

El desarrollo de la superconductividad de alta temperatura (HTS) permitió el desarrollo de un segundo tipo: máquinas basadas en HTS, que son más pequeñas, ligeras, eficientes y menos costosas de fabricar y operar que las máquinas convencionales. Los avances en la tecnología de cables HTS han dado lugar a electroimanes superconductores que pueden operar a temperaturas más altas que los fabricados con materiales superconductores de baja temperatura. En consecuencia, utilizan sistemas de refrigeración más sencillos, económicos y eficientes. Esto hace que los cables HTS sean técnicamente viables y económicamente viables para aplicaciones de condensadores con potencias nominales inferiores a las que se pueden lograr con el cable superconductor de baja temperatura.

Ejemplos

Brindisi, Italia, 2020

Se suministran a Terna dos condensadores síncronos y un volante de inercia para la subestación de Brindisi, en el sur de Italia. Cada unidad de condensador síncrono suministra potencia reactiva de hasta +250 / –125 MVAr y 1750 MW de inercia para contribuir a la estabilidad de la red eléctrica italiana. Estos condensadores síncronos complementan el parque de condensadores síncronos operado por el TSO italiano. La oferta del fabricante incluyó el diseño, la obra civil, el suministro, la instalación y la puesta en marcha de los dos generadores eléctricos bipolares y sus equipos relacionados (transformadores elevadores, interruptores automáticos, auxiliares y sistemas de equilibrio de planta, protección y control), así como los sistemas de monitorización y diagnóstico, y un mantenimiento planificado durante 20 años. Cada generador está equipado con un volante de inercia para responder a los requisitos de inercia de Terna. Ambos equipos suministran una potencia reactiva combinada de 500 MVAr y 3500 MW de inercia para ayudar a estabilizar la red y apoyar la integración de más energía renovable.

Estación Blackwater, Nuevo México, EE. UU., 2019

Las líneas de transmisión (216 millas) entre la estación de 362 kV (al norte de Albuquerque) y la estación de 362 kV de Blackwater (cerca de Clovis) permiten el intercambio de energía generada por parques eólicos entre Nuevo México y Texas. Las líneas de transmisión de esta longitud generaban condiciones de bajo riesgo de cortocircuito, lo que dificultaba el control y la operación de los sistemas electrónicos de potencia del convertidor de corriente continua de alta tensión y los parques eólicos ubicados en la central Blackwater o en sus inmediaciones. Los estudios revelaron que la instalación de un condensador síncrono proporciona la capacidad de cortocircuito necesaria para facilitar los servicios de transmisión en la central Blackwater de 362 kV. El condensador síncrono fue seleccionado para proporcionar 959 MVA de potencia de cortocircuito en la central Blackwater de 362 kV. La instalación del condensador síncrono mantiene un rendimiento aceptable del sistema al aumentar la relación de cortocircuito y proporcionar soporte de voltaje durante fallas y contingencias, permitiendo así la transmisión de energía en Nuevo México.

Oberottmarshausen, Baviera, Alemania, 2018

La central nuclear de Gundremmingen, con una capacidad de 1,34 GW, se cerró para aplicar la Ley de Energía Atómica. Por lo tanto, se requirieron medidas para garantizar la estabilidad de la red en cuanto a la inercia y la compensación de potencia reactiva. Un condensador síncrono ofreció una amplia gama de potencia reactiva, de +340 a -170 MVAr, con pérdidas optimizadas y una vida útil optimizada. Esta solución garantizó la estabilidad de la red durante las fluctuaciones de tensión. Se incorporó un condensador sincrónico para proporcionar una amplia gama de capacidad de potencia reactiva para operar en condiciones de temperatura ambiente en Oberottmarshausen.

Escocia, Reino Unido, 2017

Una colaboración entre la empresa de servicios públicos del Reino Unido, el operador del sistema e instituciones académicas para demostrar el diseño sostenible y el control operativo de un condensador síncrono con un innovador sistema de control coordinado, combinado con un dispositivo de sistema de transmisión de CA flexible STATCOM. El proyecto recibió un presupuesto de 17,64 millones de libras esterlinas a través del Concurso de Innovación en Redes (NIC) del Reino Unido en 2016. Condensador síncrono con innovador sistema de control coordinado combinado con un dispositivo de sistema de transmisión de CA flexible STATCOM. Proporcionar una solución eficiente y compuesta que mejorará la estabilidad y la seguridad del sistema al tiempo que mantiene la calidad de la energía, minimizando los riesgos de cortes de energía y brindando beneficios significativos a los clientes del Reino Unido.

Subestaciones de Bjæverskov, Fraugde y Herslev (Dinamarca), 2015

Dinamarca es uno de los pocos países que incluye una gran proporción de energía eólica en su combinación energética, por lo que el país necesita soluciones de condensadores sincrónicos para ayudar a estabilizar su sistema de transmisión de electricidad y respaldar una mayor generación de energía eólica. El alcance de suministro de las soluciones de condensadores síncronos incluía un generador síncrono con excitación sin escobillas, un transformador elevador del generador y los sistemas eléctricos auxiliares, como sistemas de control y seguridad, reguladores de tensión y sistemas de arranque. Cada solución de condensador síncrono puede suministrar más de 900 MVA de potencia de cortocircuito y +215 / –150 MVAr de potencia reactiva. El tiempo de arranque está diseñado para que los generadores alcancen hasta 3000 rpm en 10 minutos y se sincronicen con la red de transmisión. La disponibilidad mínima es del 98 %. Ofrecen alta eficiencia, bajas emisiones de ruido y bajos costes de instalación y puesta en marcha. La solución de condensador síncrono de 250 MVAr de la subestación Bjæverskov entró en funcionamiento en las subestaciones Fraugde y Herslev. Esta solución es capaz de suministrar más de 900 MVA de potencia de cortocircuito y +150 / – 75 MVAr de potencia reactiva. En agosto de 2014 entró en funcionamiento de prueba.

Codrongianos, Italia, 2014 (año de conexión a la red)

2 condensadores síncronos de 250 MVAr para la estabilización de la red de Cerdeña. Velocidad: 3000 rpm. Tensión: 19 kV. Los condensadores síncronos buscan un uso más seguro y optimizado de los enlaces de corriente continua de alta tensión (HVDC) de Cerdeña. Ambos condensadores síncronos presentan diferencias innovadoras con respecto a los tradicionales: diseño de rotor redondo (mejor relación coste/Mvar), diseño bipolar para reducir peso y coste, refrigeración aire-agua para simplificar el mantenimiento, sistema de arranque estático rápido (<15 minutos), sistema de refrigeración adiabático para el circuito primario de agua, capacidad de sobrecarga del 200 % (10 segundos) y operación completamente autónoma desde el centro de control remoto. Las pérdidas totales se estiman en un 1,15 %. Utilización más segura y mejorada de los enlaces HVDC de Cerdeña.

Hesse, Alemania, 2013

Tras la decisión gubernamental de cerrar las centrales nucleares en Alemania tras el incidente de Fukushima, una de las unidades generadoras de la central nuclear de Biblis de 2,5 GW se convirtió en un condensador síncrono rotatorio. Se instaló un convertidor de arranque de media tensión de 14 MW para el arranque del generador. Este se conectó a un nuevo transformador de 18,3 MVA, que posteriormente transforma su tensión de salida a la tensión terminal del generador de 27 kV mediante otro transformador de 17 MVA. Mediante una celda de media tensión de 30 kV con aislamiento en gas, el nuevo sistema se conectó al generador a través del cable terminal del generador. El condensador recién convertido regula la potencia reactiva de – 400 a + 900 MVAr, que se pone a disposición del operador de red Amprion en situaciones de baja o alta tensión.

Compensador síncrono estático (STATCOM)

Un compensador síncrono estático (STATCOM) es un dispositivo de acción rápida capaz de proporcionar o absorber corriente reactiva y, por lo tanto, regular la tensión en el punto de conexión a la red eléctrica. Se clasifica dentro de los dispositivos de sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna (FACTS). Su tecnología se basa en convertidores de fuente de tensión (VSC) con válvulas semiconductoras en una configuración modular multinivel.  

El rango de salida de corriente reactiva dinámica es prácticamente simétrico (en condiciones normales de red con perturbaciones). Sin embargo, es posible implementar diseños asimétricos mediante la introducción de elementos shunt conmutados mecánicamente o por tiristores con sistemas de control unificados para cubrir la mayoría de las aplicaciones convencionales.  

Tipos de tecnología 

Una configuración típica de STATCOM consta de VSC multinivel basados ​​en transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), reactancias de fase y un transformador elevador, y está conectado en derivación a la red. La corriente reactiva se proporciona o absorbe mediante la generación de una forma de onda de tensión interna controlada. La mayoría de los STATCOM disponibles en el mercado funcionan con control de seguimiento de red y requieren una referencia de tensión de red para funcionar (con una intensidad de red definida). Sin embargo, aparecen nuevos productos con control de formación de red (GFC) y almacenamiento.

Ejemplos

Amprion, Alemania, 2023

Implementación del primer STATCOM con capacidad GFM en la Grid Amprion. +/- 300 Mvar, 420 kV, GFM. En funcionamiento.

Eles, Eslovenia, 2022

Dispositivo de compensación estacionario con tecnología SVC/STATCOM de +/- 150 Mvar en la subestación de Beričevo. Forma parte de una combinación óptima de diversos dispositivos avanzados de alta tecnología para la compensación de potencia reactiva y la regulación de tensión, fruto de una colaboración transfronteriza entre Eslovenia y Croacia. +/- 150 Mvar. En funcionamiento.

National Grid, Reino Unido, 2020

Proyecto Compensador Reactivo Dinámico (DRC), el mayor proyecto STATCOM de Europa. Ofrece un rango de potencia de 975 MVAR. Se despliega y coordina en tres subestaciones independientes a lo largo de la red de transmisión en el sureste del Reino Unido. 975 Mvar. En funcionamiento.

Borken, Alemania, 2018

La primera instalación híbrida alemana STATCOM está en funcionamiento desde 2018 para soportar dinámicamente la tensión y mejorar la calidad de la energía en el nivel de 380 kV. Construcción híbrida del sistema de compensación de potencia reactiva, con dos ramas STATCOM y un condensador mecánico conmutado con red de amortiguamiento (MSCDN), que proporciona compensación de potencia reactiva en un rango de -250 Mvar a +400 Mvar. El MSCDN se utiliza para proporcionar la carga base capacitiva. Proporciona un amplio rango de control reactivo y mejora la calidad de la energía.