Estudio de la capacidad de regulación de voltaje y frecuencia de la red eléctrica mediante baterías de soporte

Abstract

El presente trabajo de fin de estudios aborda el diseño, modelado, implementación y validación de un sistema de regulación de frecuencia y tensión en redes eléctricas, mediante el uso combinado de convertidores electrónicos de potencia y sistemas de almacenamiento en baterías (BESS). La necesidad del estudio surge de los desafíos que plantea la transición energética hacia fuentes renovables intermitentes, cuya incorporación masiva reduce la inercia natural del sistema y pone en riesgo su estabilidad dinámica. El objetivo principal es desarrollar una estrategia de control avanzada que permita al sistema eléctrico simulado mantener su estabilidad frente a perturbaciones, como caídas de tensión, eventos de variación de frecuencia o desconexiones de carga. Para ello, se ha empleado una metodología integral que incluye el modelado matemático del convertidor trifásico de dos niveles (2L-VSC), la simulación en tiempo real mediante OPAL-RT y Simulink, la implementación de modelos inerciales de la red eléctrica, el desarrollo de lazos de control de corriente y voltaje en dq, las estrategias complementarias como el droop control y las estrategias avanzadas de emulación de la inercia síncrona en convertidores, como el SPC. Además, se integra un modelo funcional de batería de ionlitio que permite evaluar el impacto del estado de carga y las limitaciones operativas del sistema. El proyecto se estructura en diversas fases que abarcan el estado del arte, la modelización del sistema, y finalmente su validación en tiempo real. Se desarrollan casos de estudio bajo distintos escenarios de red (fuertes y débiles), simulando la inyección de potencia activa y reactiva en respuesta a desviaciones de los parámetros nominales. También se considera la validación experimental parcial del sistema, utilizando equipamiento real disponible en el laboratorio. Los resultados obtenidos demuestran que el sistema propuesto es capaz de actuar como soporte dinámico frente a desequilibrios en la red, mejorando la respuesta transitoria y estabilizando la frecuencia y la tensión en situaciones críticas. El uso de almacenamiento en baterías permite una intervención rápida y flexible, emulando la inercia de los generadores convencionales y aportando potencia de forma controlada. El control implementado permite también priorizar la inyección de potencia reactiva frente a situaciones de caída de tensión severa. Finalmente, otro de los resultados obtenidos ha sido la implementación en una plataforma de simulación en tiempo real de un sistema formado por red y convertidor de baterías, que permita al grupo de investigación SEER, evaluar estrategias de emulación de inercia síncrona en convertidores electrónicos de potencia. Como conclusión, el trabajo demuestra que la integración de convertidores electrónicos bidireccionales con almacenamiento energético y control avanzado es una solución viable y eficaz para estabilizar y regular redes eléctricas modernas. Su implementación mediante técnicas de simulación en tiempo real demuestra una elevada viabilidad técnica, y sienta las bases para desarrollos futuros orientados a la integración física y comercial de estas tecnologías en entornos industriales