En el siguiente artículo, analizaremos la tecnología GRIF FORMING y la tecnología VSG o VSM aplicada en BESS e inversores fotovoltaicos, entenderemos sus conceptos básicos y su modo de operación y simulación de manera amplia para comprender la importancia de esta tecnología en el escenario energético actual.
1. VSG (Virtual Synchronous Generator) o VSM (Virtual Synchronous Machine)
1.1 Entendiendo un generador síncrono tradicional.
Un generador síncrono es una máquina generadora que trabaja transformando energía mecánica en energía eléctrica por medio de inducción electromagnética, según el principio de Faraday. En resumen simple, un generador síncrono es aquel donde la velocidad del giro del campo magnético del rotor es el mismo que el del campo magnético del estator.
El generador síncrono tradicional es la base fundamental de las redes eléctricas modernas, entregan una red (voltaje y frecuencia) estable y son el corazón de las redes eléctricas que alimentan a las grande urbes actuales. Ya sea que la energía mecánica (que luego se transmite a los generadores) se consiga con turbinas de vapor en centrales térmicas y nucleares o turbinas hídricas en las generadoras de paso o de caída de las grandes centrales hidroeléctricas, es el generador síncrono la base de este funcionamiento.
Los generadores síncronos en estas grandes centrales eléctricas realizan lo que conocemos como Grid Forming o formación de referencia de red, que se compone de un voltaje y una frecuencia estable la cual es la "señal" de referencia a la que se acoplan y se sincronizan todas las máquinas o centrales que necesitan hacer GRID FOLLOWING o tener esta referencia o señal para poder trabajar.
1.2 Generador síncrono virtual o Máquina síncrona virtual.
La tecnología VSG o VSM, es una simulación virtual del comportamiento de un generador sincrónico tradicional. Mientras el GS es una máquina física basada en principios electromecánicos, el inversor o BESS con VSM o VSG es un equipo electrónico que emula mediante software y algoritmos matemáticos las propiedades de dicho generador.
Desde hace un par de años, y debido al fuerte ingreso de la tecnología fotovoltaica se ha estado intentando incorporar sistemas de almacenamiento o inversores con tecnología VSG, para realizar un Black Start y Grid Forming con este tipo de tecnologías.
En Chile, el apagón de febrero de 2025 demostró lo critico que es poder realizar Black Start con plantas generadoras (solares por ejemplo) ubicadas estratégicamente, de manera de realizar el Grid Forming para estabilizar o levantar redes caídas. Mientras que a nivel global, fue el apagón de la península ibérica del mismo año, el que demostró el impacto "negativo" de los sistemas fotovoltaicos sin tecnología GFM respecto a fallas masivas como esta.
2. Inversores con tecnología VSG
Como ya se comentó, debido al creciente ingreso de tecnología fotovoltaica a la matriz energética mundial, se hace cada vez mas necesario que esta tecnología pueda ayudar a sostener y mantener la inercia de una red eléctrica. Es en este escenario en que la tecnología GFM aplicada a inversores (conocida como IBR-GFM) toma cada vez más fuerza a nivel global. Incluso a nivel nacional, la CNE ya incorporó reguló las características de este tipo de inversores que se instalen en proyectos PMGD.
Este tipo de operaciones es posible en inversores solares debido a una serie de algoritmos matemáticos que buscan simular el comportamiento de un generador real. Los algoritmos de Máquina Síncrona Virtual (VSM) o también VSG implementan el modelo matemático de un generador síncrono convencional dentro del microcontrolador del inversor. Su objetivo es que el equipo se comporte, ante la red eléctrica, exactamente igual que un alternador de una gran central térmica o hidroeléctrica.
A continuación, se detallan la estructura y los bloques matemáticos que componen los algoritmos VSM más utilizados:
2.1. Bloque de Emulación Mecánica (Inercia)
Este bloque calcula la frecuencia virtual del inversor emulando el rotor físico. Utiliza la ecuación de oscilación (Swing Equation)
2.2. Bloque de Emulación Eléctrica (Impedancia Virtual)
Un generador real tiene bobinados físicos que limitan la corriente de cortocircuito y estabilizan la salida. El algoritmo VSM lo simula mediante software:
- Ecuación del estator: Calcula la caída de tensión interna usando una resistencia y una inductancia virtuales.
- Propósito: Permite al inversor compartir la carga de forma equitativa con otros inversores en paralelo y limita las sobrecorrientes instantáneas ante caídas de voltaje en la red.
2.3. Lazos de Control de Potencia (Droop Control)
Para que el inversor interactúe correctamente con el sistema eléctrico, el algoritmo ajusta sus variables según la demanda de la red:
- Control P-f (Potencia-Frecuencia): Si la frecuencia de la red cae, el algoritmo aumenta automáticamente la potencia activa inyectada.
- Control Q-V (Potencia Reactiva-Voltaje): Modifica la magnitud de la tensión interna generada en respuesta a las variaciones del voltaje de la red, emulando al regulador automático de voltaje (AVR) de una máquina real.
3. Implicaciones en la Estabilidad de la Red.
La diferencia en la corriente de cortocircuito modifica drásticamente cómo responde cada sistema ante fallas severas. El GS aporta de manera nativa la "fortaleza de red" inyectando corrientes masivas que permiten despejar protecciones fácilmente. El inversor VSM, al verse limitado por sus transistores, debe transicionar rápidamente a un modo de limitación de corriente por hardware, alterando momentáneamente su comportamiento como máquina síncrona virtual para protegerse.
Por otro lado, la ventaja del VSM radica en su capacidad para ofrecer un amortiguamiento óptimo ajustable, reduciendo el riesgo de que ocurran oscilaciones de baja frecuencia que típicamente aquejan a los generadores convencionales.
4. Similitudes y diferencias principales en tecnologías.
Dimensión Técnica | Generador Síncrono Real (GS) | Inversor con Tecnología VSM | ||
Origen de la Inercia | Física e Intrínseca: Proviene de la masa rotatoria real del rotor y la turbina acoplada. | Digital y Sintética: Emulada por software procesando datos de medición. | ||
Disponibilidad de Energía | Almacenada directamente en la energía cinética de la masa en movimiento. | Requiere una fuente DC aguas arriba, comúnmente un sistema de almacenamiento con baterías (BESS). | ||
Capacidad de Sobrecorriente | Muy alta (400% - 600% nominal): Soportada térmicamente de forma natural durante varios segundos. | Muy limitada (110% - 150% nominal): Los semiconductores de potencia se dañan instantáneamente ante excesos de corriente. | ||
Flexibilidad Dinámica | Fija: Los parámetros mecánicos (constante de inercia \(H\)) y eléctricos son constructivos y rígidos. | Programable: La inercia y el amortiguamiento virtual se pueden modificar dinámicamente en tiempo real. | ||
Tiempo de Respuesta | Instantáneo: Es una respuesta electromagnética directa sin retrasos temporales. | Retraso de Bucle: Sujeta al ancho de banda del sensor, los microprocesadores y la conmutación de transistores. | ||
Dimensión Técnica | Generador Síncrono Real (GS) | Inversor con Tecnología VSM | ||
Origen de la Inercia | Física e Intrínseca: Proviene de la masa rotatoria real del rotor y la turbina acoplada. | Digital y Sintética: Emulada por software procesando datos de medición. | ||
El comportamiento de un generador síncrono real (GS) y un inversor con tecnología VSM (Máquina Síncrona Virtual) presenta una de las convergencias tecnológicas más importantes de la transición energética moderna. Nos permitirá poder avanzar con una de las tecnologías más usadas a nivel mundial para la obtención de la energía limpia, sin descuidar la robustez y la inercia requerida para el funcionamiento normal de nuestras ciudades.
FIN.
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