Microredes conectadas a la red frente a microredes aisladas: diferencias clave y requisitos de equipos

Las microredes tienen dos modos básicos de operación: conectada a la red y aislada. Ambas difieren claramente en lógica de control, selección de equipos y ajustes de protección. Comprender estas diferencias constituye la base para la selección de equipos en la etapa inicial de un proyecto.

1. Cómo funcionan los dos tipos de microredes

En la operación conectada a la red, la microred se conecta a la red principal externa mediante el punto de acoplamiento común (PCC). La red principal se encarga de mantener estables la tensión y la frecuencia. Los generadores distribuidos y los sistemas de almacenamiento de energía dentro de la microred siguen a la red y colaboran principalmente, en lugar de brindar soporte. La red externa actúa como una fuente de tensión y frecuencia muy grande, y absorbe las fluctuaciones de la microred.

En funcionamiento aislado, el punto de conexión común (PCC) se desconecta y la microrred se convierte en un pequeño sistema eléctrico independiente. No existe ninguna fuente externa de la que depender. Los sistemas de almacenamiento de energía, los paneles fotovoltaicos, los generadores diésel y otras fuentes internas de la microrred deben establecer por sí mismos la tensión y la frecuencia, y equilibrar continuamente la generación y la carga. El modo de control cambia de seguir la red a apoyarla activamente, lo que incrementa notablemente la complejidad.

El cambio entre los dos modos se divide en cambio planificado y cambio no planificado. El cambio planificado dispone de tiempo de preparación: primero se pueden ajustar la generación interna y la carga, y luego la microrred puede desconectarse de forma suave. El cambio no planificado suele activarse por una falla en la red. Tras detectar la anomalía, el controlador debe desconectarse rápidamente y permitir que el almacenamiento de energía o la fuente de respaldo asuman la carga, mientras se desconectan algunas cargas no críticas para evitar la sobrecarga y el colapso del sistema pequeño. Al volver del modo aislado al modo conectado a la red, primero deben completarse la sincronización de tensión, frecuencia y fase. De lo contrario, en el instante del cierre se producirá una corriente de sobretensión que podría dañar los equipos.

2. Desafíos técnicos de la operación aislada durante un corte de energía

Tras la interrupción de la alimentación de la red y la transición del sistema al modo aislado, el cambio más importante es que la inercia del sistema desaparece la red principal tiene muchas máquinas rotativas, que naturalmente aportan inercia y pueden amortiguar los cambios de frecuencia provocados por variaciones repentinas de la carga. Una microrred aislada es pequeña, y los dispositivos electrónicos de potencia, como los convertidores de almacenamiento de energía, no pueden proporcionar la misma inercia física. La frecuencia y el voltaje responden más rápidamente y con mayor amplitud ante perturbaciones.

Esto plantea tres problemas específicos. Primero, regulación rápida de la frecuencia y el voltaje . En modo aislado, el convertidor de almacenamiento de energía debe cambiar de operación seguidora de red a operación formadora de red y establecer activamente la referencia de voltaje y frecuencia. Esto es mucho más difícil de controlar que en modo conectado a la red. Segundo, suavidad de la conmutación no planificada . Si el voltaje o la frecuencia caen demasiado durante la conmutación, las cargas sensibles podrían desconectarse o dañarse. Por lo tanto, el control de conmutación debe identificar el estado y modificar la estrategia dentro de milisegundos. Tercero, cambios en el sistema de puesta a tierra . Cuando está conectado a la red, la puesta a tierra la gestiona la red principal. Tras desconectarse de la red, el método de puesta a tierra puede cambiar, lo que afecta directamente la trayectoria de la corriente de fallo y la correcta operación de la protección.

3. Requisitos distintos para transformadores, equipos de conmutación y sistemas de protección

Transformadores

En una arquitectura conectada a la red, la capacidad del transformador se determina principalmente por la potencia intercambiada entre la microrred y la red, y el grupo vectorial y la relación de transformación se seleccionan para adaptarse al voltaje de la red. En una arquitectura aislada de la red, el transformador también debe mantener estable el voltaje bajo cargas bajas y cargas de impacto, por lo que se imponen requisitos adicionales en cuanto a la capacidad de regulación de voltaje y al diseño de la impedancia. Cuando la capacidad de cortocircuito es limitada, la impedancia del transformador también ayuda a limitar la corriente de falla. Los transformadores de distribución y los transformadores de tipo seco de Zhongmeng pueden ajustar los grupos vectoriales y las configuraciones de regulación de voltaje según la capacidad de la microrred y las características de la carga, adaptándose así a las distintas prioridades de ambas arquitecturas.

Interruptores

El límite entre la operación conectada a la red y la operación aislada normalmente se establece en el punto de conexión común (PCC). El interruptor en este punto requiere capacidad de interrupción bidireccional: debe cortar rápidamente cuando falla la red para evitar que la microrred inyecte energía de vuelta en la red con falla, y también debe abrirse de forma fiable cuando se requiere la operación aislada. Los equipos de tableros eléctricos de media y baja tensión, así como los equipos de cabinas prefabricadas de Zhongmeng, se ensamblan y prueban previamente en fábrica. En el sitio, solo es necesario conectar los cables, lo cual resulta ideal para proyectos de microrredes que exigen una implementación rápida.

Sistemas de protección

Esta es el área con la mayor diferencia entre las dos arquitecturas. En funcionamiento conectado a la red, la corriente de falla es suministrada principalmente por la red principal, y el nivel de corriente de cortocircuito es relativamente alto. Tras cambiar al funcionamiento aislado (off-grid), la corriente de cortocircuito es suministrada únicamente por las fuentes distribuidas internas de la microrred y puede representar solo una fracción del valor en modo conectado a la red. Si los ajustes de protección siguen configurados para condiciones conectadas a la red, el relé podría no detectar fallas en modo aislado y, por ende, no actuar. Por lo tanto, el sistema de protección debe poseer capacidad adaptativa en ambos modos, o al menos ser capaz de cambiar los grupos de ajustes de protección cuando cambia el modo. La interfaz con la red también requiere protección bidireccional para cubrir fallas tanto en el lado de la red como en el lado de la microrred. Los dispositivos de protección y control de Zhongmeng pueden integrarse con equipos de conmutación y transformadores en un paquete completo, reduciendo así los riesgos de coordinación entre equipos de distintos proveedores.

4. Problemas de variación de tensión, frecuencia y carga en sistemas aislados

En modo aislado, la tensión y la frecuencia ya no reciben soporte de la red eléctrica principal. Se regulan en tiempo real mediante las fuentes de control principales, como los convertidores de almacenamiento de energía o los generadores diésel. El objetivo operativo habitual consiste en mantener la frecuencia cerca de 50 Hz y la desviación de tensión dentro de un rango aceptable para las cargas. Sin embargo, en la operación real, tanto los cambios en la producción fotovoltaica como el arranque y parada de cargas de gran potencia provocan perturbaciones.

La variación de carga es la prueba más directa para un sistema aislado de la red. Cuando se pone en marcha un motor relativamente grande, puede reducir instantáneamente el voltaje del sistema. Cuando la producción fotovoltaica disminuye bruscamente debido a la cobertura nubosa, la frecuencia puede aumentar. El control de sistemas aislados debe mantenerse estable ante tales perturbaciones continuas. Al mismo tiempo, el almacenamiento de energía en baterías debe cargar y descargar potencia rápidamente para suavizar las fluctuaciones y, cuando sea necesario, desconectar selectivamente algunas cargas no críticas según su prioridad. Las normas ya exigen que el tiempo de conmutación entre modo aislado y modo conectado a la red no supere los 10 ms, pero esto impone requisitos muy exigentes de coherencia en la velocidad de respuesta de los controladores y los equipos de conmutación.

5. Parámetros eléctricos que deben confirmarse en la fase inicial de un proyecto

Cuanto más claros sean los parámetros en la fase inicial, menos reajustes serán necesarios en la selección de equipos y en la configuración de protecciones. Los siguientes parámetros deben confirmarse primero:

Nivel de corriente de cortocircuito. Las corrientes de cortocircuito máxima y mínima deben obtenerse por separado para las condiciones conectadas a la red y aisladas de la red. En modo conectado a la red, las suministran conjuntamente la red y las fuentes distribuidas. En modo aislado de la red, las suministran únicamente las fuentes distribuidas. Estas dos corrientes pueden diferir en varios órdenes de magnitud. Este hecho constituye la base directa para seleccionar la capacidad de interrupción de los equipos de conmutación y ajustar los valores de protección.

Método de puesta a tierra. Los métodos de puesta a tierra del lado de la red y del lado de la microrred deben coordinarse. El método de puesta a tierra del neutro determina la magnitud y la trayectoria de la corriente de fallo a tierra monofásico y también influye en la selección del grupo vectorial del transformador. Tras la operación aislada de la red, las condiciones de puesta a tierra pueden cambiar; por tanto, la disposición de la puesta a tierra antes y después del cambio debe definirse en la fase de diseño.

Parámetros del transformador. Estos incluyen la capacidad nominal, la relación de tensión, el grupo vectorial, la tensión de impedancia y el método de regulación de tensión. La capacidad se puede seleccionar según la potencia máxima continua de intercambio entre la microrred y la red externa, y también debe verificarse la capacidad para arrancar cargas de impacto en modo aislado.

Características armónicas. Debe conocerse de antemano el espectro armónico, el orden y el contenido de los inversores y las cargas no lineales. Los armónicos afectan la calidad de la energía y también pueden provocar un calentamiento adicional del transformador y resonancia en los condensadores. Durante la selección, debe coincidirse con la capacidad correspondiente de soporte de armónicos o con medidas de mitigación.

Rangos permitidos de frecuencia y tensión. Deben definirse los límites operativos tanto en estado conectado a la red como en estado aislado, así como las desviaciones transitorias permitidas durante la conmutación. Estos indicadores determinan directamente la estrategia de control del convertidor y los ajustes de protección.

Clasificación de cargas y carga de impacto máxima. Un sistema aislado tiene capacidad limitada. Es necesario distinguir entre cargas críticas y no críticas, y confirmar el método de arranque y la corriente de arranque del motor individual más grande. Esto determina la capacidad de sobrecarga requerida del convertidor de almacenamiento de energía y el umbral de la estrategia de desconexión de cargas en modo aislado.

Puntos de integración de productos Zhongmeng: Los parámetros anteriores deben implementarse finalmente en equipos específicos. Los transformadores de distribución realizan la conversión de tensión y el ajuste de impedancia. El equipo de conmutación gestiona la apertura/cierre del punto de conexión común (PCC) y la protección del circuito. El equipo personalizado de distribución de energía integra transformadores, equipo de conmutación, protección y control, y monitoreo en cabinas prefabricadas o subestaciones tipo pedestal, reduciendo errores de coordinación durante el montaje in situ. Si se confirman, en la etapa inicial del proyecto, la corriente de cortocircuito, el método de puesta a tierra, las armónicas y las características de la carga, se puede personalizar un equipo completo según las condiciones reales de operación, en lugar de realizar compromisos pasivos sobre productos estándar.

6. Escenarios de Aplicación

7. Preguntas Frecuentes

P: ¿Cuál es la diferencia principal entre las microrredes conectadas a la red y las microrredes aisladas?

R: La diferencia principal radica en la lógica de control. En modo conectado a la red, la red eléctrica externa proporciona la referencia de tensión y frecuencia, y la microrred sigue dicha red. En modo aislado, la microrred debe establecer su propia tensión y frecuencia mediante sistemas internos de almacenamiento de energía y generadores, lo que hace que el control sea significativamente más complejo.

P: ¿Por qué el sistema de protección difiere entre ambas arquitecturas?

A: Los niveles de corriente de cortocircuito difieren notablemente. En modo conectado a la red, la red principal suministra una corriente de falla elevada. En modo aislado, únicamente las fuentes distribuidas suministran corriente de falla, que puede ser solo una fracción del valor en modo conectado a la red. Los ajustes de protección diseñados para condiciones conectadas a la red podrían no detectar fallas en modo aislado; por lo tanto, se requiere protección adaptable o grupos de ajustes conmutables.

P: ¿Qué tiempo de conmutación se requiere al pasar de modo aislado a modo conectado a la red?

A: Las normas industriales exigen que el tiempo de conmutación de modo aislado a modo conectado a la red no supere los 10 ms. Esto impone exigencias muy altas sobre la velocidad de respuesta de los controladores y los equipos de conmutación, y requiere una sincronización precisa de tensión, frecuencia y fase antes de la reconexión.

P: ¿Qué función desempeñan los transformadores en una microrred?

A: Los transformadores gestionan la conversión de tensión y el ajuste de impedancia entre la microrred y la red externa. En modo aislado, también deben mantener la estabilidad de la tensión bajo condiciones de carga reducida y de carga con impacto. Además, la impedancia del transformador puede ayudar a limitar la corriente de cortocircuito cuando la capacidad de cortocircuito está restringida.

P: ¿Qué parámetros eléctricos deben confirmarse en la fase inicial de un proyecto de microrred?

A: Los parámetros clave incluyen: niveles de corriente de cortocircuito para ambos modos, método de puesta a tierra, parámetros del transformador (potencia nominal, relación de transformación, grupo vectorial, impedancia), características armónicas, rangos de frecuencia y tensión permitidos, y clasificación de cargas junto con la carga de impacto máxima. Confirmar estos parámetros desde el principio reduce el trabajo repetitivo en la selección de equipos y en la configuración de protecciones.