La transición hacia un sistema eléctrico basado en fuentes renovables requiere nuevas estrategias de control capaces de sustituir las funciones que tradicionalmente realizaban los generadores síncronos. La patente ES2944782, ganadora del Premio Eolo de Innovación 2026, representa un avance en este sentido al permitir que los generadores asíncronos doblemente alimentados, ampliamente implantados en la energía eólica, puedan operar como formadores de red y contribuir de forma activa a la estabilidad y resiliencia del sistema eléctrico, e incluso ayudar a restablecer el suministro tras un apagón.
Este nuevo método de control, desarrollado por Santiago Arnaltes y José Luis Rodríguez Amenedo, de la Universidad Carlos III de Madrid, representa un paso más hacia un sistema eléctrico más fiable, resiliente y preparado para integrar un porcentaje cada vez mayor de energías renovables, contribuyendo a avanzar en la transición energética.
A continuación, sus autores nos cuentan el proyecto en detalle:
La creciente penetración de las energías renovables en la red eléctrica implica el desplazamiento de la generación convencional basada en generadores síncronos. Esto da lugar a redes más débiles, con baja inercia del sistema y reducida potencia de cortocircuito en los nodos de la red. En estas condiciones, los controles convencionales de los convertidores electrónicos de potencia empleados en la generación renovable pueden resultar inestables. No obstante, existe un amplio consenso en la literatura técnica acerca de que la operación estable y fiable del sistema se puede asegurar, en ausencia de generadores síncronos, mediante convertidores electrónicos con capacidades grid-forming (formadores de red), es decir, convertidores que emulan el funcionamiento de un generador síncrono, en lo que se denominan máquinas síncronas virtuales (VSM, Virtual Synchronous Machine), y por tanto se comportan como fuentes de tensión conectadas a la red, sin necesidad de emplear un lazo de seguimiento de fase (PLL, Phase Locked-Loop), emulando el par sincrónico de un generador para mantener el sincronismo con la red y contribuyendo al soporte de la tensión y frecuencia de la red. Aunque el control grid-forming se ha desarrollado fundamentalmente para convertidores electrónicos directamente conectados a la red, éste puede extenderse a los generadores asíncronos doblemente alimentados, como se hace en la invención objeto de esta publicación.
El generador asíncrono doblemente alimentado tiene un amplio uso como generador de velocidad variable en aerogeneradores. Este tipo de generador consta de un generador asíncrono, cuyo estator se conecta directamente a la red, mientras que el rotor se conecta a la red mediante un doble convertidor de potencia en configuración back-to-back. Esta configuración permite la alimentación del rotor a frecuencia variable, haciendo posible el funcionamiento del generador, y por tanto de la turbina, a velocidad variable.
El control vectorial clásico del generador se basa en la regulación de las componentes del vector de corriente del rotor en coordenadas del flujo del estátor, para controlar la potencia activa y reactiva del generador. Mediante este método de control, el generador funciona como una fuente de potencia constante, característico de un control grid-following, porque los cambios de estado de la red son rápidamente compensados por el control para mantener la inyección de la potencia de consigna.
La patente ES2944782, recientemente premiada con el Premio Eolo de Innovación por la Asociación Empresarial Eólica (AEE), propone un método de control en modo grid-forming para un generador asíncrono doblemente alimentado, los más utilizados en los aerogeneradores de velocidad variable. Es decir, el generador deja de comportarse únicamente como una fuente de potencia y pasa a actuar como una fuente de tensión, contribuyendo activamente a la estabilidad de la red.
El método de control se basa en el control del flujo del rotor, que permite establecer una fuerza electromotriz inducida en el estator, que resulta en la operación del generador como fuente de tensión (modo grid-forming), dotando al generador de una serie de características idénticas a las de un generador síncrono. Por un lado, el generador mantiene el sincronismo con la red, de forma análoga a un generador síncrono, desarrollando un par sincrónico. Por otro lado, el generador funciona como una verdadera fuente de tensión, capaz de reaccionar a los cambios de frecuencia y tensión de la red. Y, además, el funcionamiento en modo grid-forming posibilita la operación del generador en red aislada, haciendo posible la contribución a la reposición del sistema tras un apagón.
El método de control reivindicado es muy robusto (dependiente de unos pocos parámetros) y muy sencillo de implementar, ya que el flujo del rotor se controla directamente mediante la tensión aplicada al rotor por el convertidor del lado del rotor; dado que, a grosso modo, el flujo del rotor no es más que la integral de la tensión aplicada. El flujo del rotor induce una fuerza electromotriz en el estator proporcional al flujo, según la expresión:
Usando esta relación, se obtiene la siguiente ecuación del estator del generador en régimen estacionario:
que se representa en el circuito equivalente de la siguiente figura, cuya analogía con el circuito equivalente de un generador síncrono es obvia.
El flujo se controla en módulo y ángulo. Siendo la fuerza electromotriz inducida directamente proporcional al flujo, el módulo del flujo permite establecer el módulo de la tensión inducida, que a su vez permite regular el intercambio de potencia reactiva con la red, sobreexcitando o subexcitando el generador, de forma análoga a un generador síncrono; mientras que el ángulo del flujo rotor permite regular el ángulo de carga del generador. Para obtener el ángulo del flujo del rotor, se emplea una regulación de par. La diferencia entre el par de consigna y el par desarrollado por el generador permite establecer el ángulo, según el esquema de la siguiente figura. Así, por ejemplo, ante un incremento de carga en la red, el generador, al funcionar como fuente de tensión, incrementa su carga (el par desarrollado) y lazo de regulación de par actúa modificando el ángulo del flujo para mantener el equilibrio entre el par de consigna y el par desarrollado. Durante el transitorio, el par (y la potencia) se han incrementado a un ritmo dependiente de la inercia programada en el lazo; en lo que se denomina emulación de inercia. En un aerogenerador, la energía necesaria para sostener ese incremento transitorio de potencia se obtiene de la energía cinética de las masas giratorias.
De igual manera, este lazo permite regular el par de consigna, comandado por la regulación de velocidad de la turbina eólica. Asimismo, este mismo lazo posibilita la operación en red aislada. En este caso, el par desarrollado por el generador dependerá de la carga eléctrica conectada al mismo. El equilibrio se logra mediante el droop de frecuencia implementado en el lazo, de forma que el generador suministrará exactamente la potencia demandada por la carga; mientras que el equilibrio mecánico se logra mediante una regulación de velocidad de la turbina eólica, siempre que exista suficiente recurso eólico.
¿Qué ventajas ofrece la patente?
- funcionamiento estable incluso en redes eléctricas débiles
- soporte de tensión y frecuencia
- emulación de la inercia que antes aportaban los generadores síncronos
- resiliciencia del sistema eléctrico
- posibilidad de operar en redes aisladas
- contribución a la reposición del sistema tras un apagón (black start)
- implementación sencilla, ya que se basa en el control del flujo del rotor que se puede controlar fácilmente mediante la tensión aplicada al rotor, y robusta, al depender de un número reducido de parámetros
Santiago Arnaltes, Catedrático de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Carlos III de Madrid
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