Por José Juan Martínez | Gerente de soluciones
Dos BESS con los mismos MW y MWh pueden parecer prácticamente iguales en una ficha técnica y, sin embargo, comportarse de manera muy diferente cuando la red se perturba.
Uno puede estar diseñado principalmente para almacenar y desplazar energía. El otro puede, además, contribuir activamente al soporte de tensión, frecuencia y estabilidad de una red débil.
La diferencia no está necesariamente en la batería.
Está, en buena medida, en el convertidor de potencia, en su filosofía de control y en las prestaciones eléctricas para las que fue diseñado.
Éste es un punto que considero importante porque todavía es común asociar directamente BESS con estabilidad de red. Si el sistema tiene baterías, electrónica de potencia y capacidad para entregar megawatts rápidamente, parece lógico asumir que también podrá estabilizar la red durante una perturbación.
Pero no necesariamente es así.
Almacenar energía y soportar dinámicamente una red son funciones diferentes.
Entender esta diferencia es fundamental al comparar tecnologías Grid Following y Grid Forming y, sobre todo, al especificar qué esperamos realmente que haga un BESS cuando las condiciones de la red dejan de ser normales.
MW y MWh no describen la estabilidad de un BESS
Cuando especificamos un BESS normalmente empezamos por dos variables:
- MW, que indican la potencia que el sistema puede entregar o absorber.
- MWh, que indican cuánta energía puede almacenar.
Estas dos variables son fundamentales para aplicaciones como peak shaving, arbitraje de energía, respaldo o desplazamiento de carga.
Sin embargo, dicen poco sobre cómo se comportará el sistema durante los primeros milisegundos o segundos después de una perturbación eléctrica.
Un BESS de 50 MW / 100 MWh, por ejemplo, podría haber sido diseñado principalmente para cargar y descargar energía siguiendo referencias de potencia. Otro sistema con esa misma capacidad podría incorporar controles orientados a mantener una referencia de tensión, aportar una respuesta rápida de frecuencia o mantener una operación estable en una red con baja potencia de cortocircuito.
Incluso con los mismos MW y MWh, dos sistemas pueden utilizar convertidores con distinta potencia aparente, capacidad de sobrecorriente, margen disponible para intercambio de potencia reactiva y estrategia de limitación durante perturbaciones.
Estas diferencias pueden ser determinantes para su comportamiento dinámico.
Desde el punto de vista energético pueden parecer sistemas prácticamente iguales. Desde el punto de vista eléctrico, no necesariamente lo son.
¿Qué significa que un BESS sea Grid Following?
La mayoría de los recursos basados en convertidores instalados históricamente han utilizado controles Grid Following (GFL).
En términos sencillos, un convertidor Grid Following observa la tensión de la red, determina su frecuencia y ángulo y, a partir de esa referencia, controla la corriente activa y reactiva que intercambia con el sistema.
Conceptualmente, podemos pensar en él como una fuente de corriente controlada que toma la red existente como referencia para sincronizarse y controlar su intercambio de corriente.
Esto no significa que un BESS Grid Following sea un sistema simple o que no pueda prestar servicios a la red. Los controles modernos pueden realizar regulación de tensión, control de potencia reactiva, respuesta de frecuencia, soporte durante fallas y diferentes estrategias de control dinámico.
El punto es otro: su filosofía de control parte de la existencia de una referencia de red suficientemente estable.
IEEE y ESIG describen precisamente esta diferencia entre el comportamiento típico Grid Following, orientado principalmente al control de corriente, y Grid Forming, orientado a establecer y controlar un fasor interno de tensión.
En una red fuerte este comportamiento puede funcionar perfectamente.
La diferencia comienza a adquirir mayor relevancia cuando la propia red deja de ser una referencia suficientemente rígida.
¿Qué cambia con Grid Forming?
Un convertidor Grid Forming (GFM) trabaja bajo una filosofía diferente.
En lugar de limitarse a seguir la tensión existente, mantiene una referencia interna de tensión en magnitud y ángulo y responde a las condiciones del sistema a partir de ella.
Conceptualmente, su comportamiento se aproxima más al de una fuente de tensión controlada.
Esta diferencia puede ser especialmente relevante durante perturbaciones rápidas y en sistemas con una participación elevada de recursos conectados mediante electrónica de potencia.
NERC define precisamente el comportamiento Grid Forming alrededor de la capacidad de mantener un fasor interno de tensión durante escalas subtransitorias y transitorias, permitiendo una respuesta inmediata ante cambios en las condiciones de la red.
Dependiendo de su diseño y de su estrategia de control, un BESS Grid Forming puede contribuir a funciones como:
- soporte dinámico de tensión;
- respuesta rápida de frecuencia;
- respuesta inercial sintética o equivalente, dependiendo de la estrategia de control;
- amortiguamiento de determinadas oscilaciones;
- operación en redes eléctricamente débiles;
- establecimiento de tensión en sistemas aislados.
Sin embargo, es importante detenernos aquí: Grid Forming tampoco significa automáticamente que todas estas prestaciones estén disponibles o que tengan el mismo desempeño entre fabricantes.
Grid Forming describe una forma de comportamiento del convertidor. Las prestaciones concretas siguen dependiendo de cómo haya sido diseñado y dimensionado el sistema.
¿Por qué importa la fortaleza de la red?
La diferencia entre Grid Following y Grid Forming se vuelve especialmente relevante conforme disminuye la fortaleza de la red.
En una red eléctricamente fuerte, la tensión y el ángulo presentan relativamente poca sensibilidad ante cambios en la potencia que recibe o entrega el sistema. En una red débil, esas mismas variaciones de potencia pueden provocar cambios mayores de tensión.
La relación de cortocircuito, o SCR, puede utilizarse como un primer indicador de esta condición: en términos simplificados, relaciona la potencia de cortocircuito disponible en el punto de conexión con la potencia del recurso conectado mediante convertidores.
Un SCR menor suele indicar una red eléctricamente más débil.
Sin embargo, el SCR debe utilizarse como indicador y no como diagnóstico definitivo. En sistemas con múltiples convertidores, controles rápidos, compensación serie o interacciones entre diferentes equipos, la estabilidad puede depender de fenómenos que un solo número no representa adecuadamente.
Es precisamente en estos sistemas donde la diferencia entre Grid Following y Grid Forming comienza a ser mucho más importante.
Los convertidores Grid Following pueden encontrar dificultades cuando la tensión que utilizan como referencia se vuelve demasiado sensible a sus propias inyecciones de corriente.
Grid Forming busca modificar esta relación aportando un comportamiento más parecido al de una fuente de tensión y puede contribuir a aumentar los márgenes de estabilidad cuando la red presenta baja fortaleza eléctrica.
Grid Forming tampoco es una especificación completa
Aquí aparece otro error que probablemente veremos con mayor frecuencia conforme esta tecnología gane adopción:
“El BESS debe ser Grid Forming.”
Eso todavía deja demasiadas preguntas abiertas.
Por ejemplo, ¿qué comportamiento se espera durante una perturbación? ¿Qué capacidad de corriente tiene el convertidor? ¿Cómo responde cuando llega a ese límite? ¿Qué prioridad existe entre potencia activa y reactiva? ¿Qué margen de potencia debe mantenerse disponible? ¿Qué sucede dependiendo del estado de carga de la batería? ¿Debe operar conectado a una red muy débil? ¿Debe poder energizar una red desenergizada?
Incluso la capacidad de black start, o arranque en negro, no debería asumirse solamente porque un equipo sea Grid Forming.
Para energizar un sistema desde cero también deben considerarse aspectos como corrientes de energización de transformadores, cargas iniciales, protecciones, secuencia de restauración y disponibilidad energética.
NERC identifica estas consideraciones de forma separada al analizar BESS utilizados para restauración de sistemas eléctricos.
Lo mismo ocurre con la corriente de falla.
Un convertidor no se convierte en un generador síncrono simplemente porque utilice control Grid Forming.
Los semiconductores siguen teniendo límites de corriente y su contribución durante una falla puede ser muy distinta a la de una máquina síncrona. Esto tiene implicaciones tanto para la estabilidad como para la coordinación de protecciones.
Por eso cada vez es más importante especificar desempeño y no únicamente etiquetas tecnológicas.
Los trabajos más recientes alrededor de Grid Forming avanzan precisamente hacia métodos de prueba y métricas que permitan verificar el comportamiento de fuente de tensión de estos recursos.
Dos BESS iguales en energía pueden ser equipos eléctricamente muy diferentes
Una comparación conceptual ayuda a visualizarlo:
| Característica | BESS Grid Following | BESS Grid Forming |
| MW / MWh | Puede ser exactamente igual | Puede ser exactamente igual |
| Referencia principal | Utiliza la tensión, frecuencia y ángulo de la red como referencia | Mantiene una referencia interna de tensión |
| Comportamiento conceptual | Fuente de corriente controlada | Fuente de tensión controlada |
| Red fuerte | Normalmente una aplicación favorable | También puede operar; la ventaja adicional dependerá de los servicios requeridos y de las características de la red |
| Red débil | El desempeño depende fuertemente del control y del sistema | Puede aportar ventajas de estabilidad si está correctamente diseñado |
| Soporte de frecuencia y tensión | Puede proporcionarlo | Puede proporcionarlo |
| Respuesta inercial | Puede implementar respuestas rápidas de frecuencia mediante control | Puede proporcionar respuesta inercial sintética o equivalente dependiendo de la estrategia de control |
| Black start | No debe asumirse | Tampoco debe asumirse; requiere diseño específico |
La conclusión importante es que MW y MWh describen solamente una parte del sistema.
Cuando el objetivo incluye estabilidad dinámica, también es necesario conocer las prestaciones del convertidor y la forma en que interactuará con la red.
Entonces, ¿cuándo se necesita un BESS Grid Forming?
No todos los proyectos de almacenamiento necesitan Grid Forming.
Si el objetivo es principalmente desplazar energía, limitar demanda o participar en servicios donde existe una red suficientemente fuerte, un BESS Grid Following correctamente especificado puede ser completamente adecuado.
Grid Forming toma mayor relevancia cuando el problema incluye estabilidad dinámica: redes débiles, alta penetración de generación basada en convertidores, reducción de generación síncrona, operación aislada o condiciones donde la propia referencia de tensión puede dejar de ser suficientemente robusta.
En esos casos, seleccionar la tecnología solamente con una tabla de MW y MWh deja fuera una parte importante del problema.
También debe evaluarse la red.
Dependiendo de la aplicación, esto puede requerir estudios dinámicos y, para fenómenos rápidos donde el comportamiento interno de los convertidores resulta relevante, estudios de transitorios electromagnéticos con modelos suficientemente detallados de sus controles.
El objetivo no es simplemente demostrar que el sistema “funciona”, sino entender cómo interactúa el control del BESS con la impedancia de la red y con los demás equipos conectados.
El problema correcto antes que la tecnología
Hay aplicaciones donde un BESS Grid Forming puede aportar simultáneamente almacenamiento de energía y soporte dinámico.
En otras, comprar varias horas de baterías solamente para resolver un problema de estabilidad puede no ser la solución más eficiente.
Dependiendo del fenómeno, pueden evaluarse alternativas como un STATCOM, un condensador síncrono, refuerzos de red, controles avanzados en recursos existentes o soluciones basadas en convertidores con almacenamiento de corta duración, como un E-STATCOM.
La selección depende de qué necesita realmente el sistema:
¿Energía durante horas?
¿Potencia durante segundos?
¿Potencia reactiva?
¿Mayor fortaleza de red?
¿Soporte dinámico de tensión?
¿Respuesta de frecuencia?
¿O una combinación de estas funciones?
Ésa es probablemente la pregunta más importante al evaluar un proyecto de almacenamiento.
No simplemente:
“El BESS debe ser Grid Forming.”
Sino también:
¿Cómo queremos que este convertidor se comporte cuando la red deje de estar en condiciones normales?
Un BESS almacena energía.
Que además contribuya a estabilizar la red depende de cómo fue diseñado, controlado, especificado e integrado al sistema eléctrico.
