Microred de almacenamiento de energía fuera de red

Qué es una microred de almacenamiento de energía fuera de red

Una microred de almacenamiento de energía fuera de red (Off-grid BESS Microgrid) es un sistema eléctrico autónomo que no depende de la red pública y completa de forma independiente todo el proceso de generación, almacenamiento, distribución y consumo. Se compone de fuentes de generación distribuidas (fotovoltaica, generador diésel y, cuando es necesario, eólica), baterías de almacenamiento, convertidores de potencia de almacenamiento (PCS), unidades de distribución y un sistema de gestión de energía (EMS), y se presenta externamente como una fuente de alimentación independiente que establece de forma autónoma su propia tensión y frecuencia.

En comparación con la solución habitual de "fotovoltaica + inversor fuera de red", la diferencia de ingeniería entre ambas no radica en el propio inversor, sino en la capacidad de equilibrio de potencia. En una solución fotovoltaica puramente fuera de red, la producción fotovoltaica no es controlable y la carga varía en todo momento; sin un elemento de amortiguación intermedio, solo se puede mantener el equilibrio mediante arranques y paradas frecuentes del generador diésel o mediante limitación directa de carga, lo que se traduce en desgaste rápido del generador, alto consumo de combustible y grandes fluctuaciones de tensión y frecuencia. Al incorporar el almacenamiento, el sistema de almacenamiento asume simultáneamente tres funciones de ingeniería:

• Amortiguación de potencia: el desequilibrio instantáneo de potencia es absorbido o complementado por la batería, de modo que tanto el generador diésel como la fotovoltaica pueden operar en condiciones relativamente estables, sin necesidad de seguir ajustes bruscos según la carga;
• Referencia de tensión y frecuencia: el PCS de formación de red establece activamente la referencia de amplitud de tensión y frecuencia, proporcionando las condiciones de conexión a red para equipos seguidores de red como la fotovoltaica y el generador diésel;
• Desplazamiento temporal de energía: el excedente fotovoltaico diurno se almacena y se libera por la noche o en días nublados y lluviosos, reduciendo al mínimo el tiempo de funcionamiento del generador diésel.

En pocas palabras, la microred fuera de red no resuelve el problema de "si hay o no electricidad", sino el de si es posible suministrar energía de forma estable, económica y continua en ausencia de red eléctrica.

Arquitectura del sistema y equipos clave

Una microred de almacenamiento de energía fuera de red completa puede descomponerse funcionalmente en cuatro capas, cada una con responsabilidades de ingeniería distintas.

1. Capa de generación: fotovoltaica como principal, diésel como respaldo

La fotovoltaica es la fuente principal del sistema fuera de red: tiene el menor costo por kWh, no depende de combustible y requiere poco mantenimiento; el generador diésel se encarga del respaldo durante períodos prolongados de días nublados y lluviosos. En ingeniería generalmente no se persigue el "cero diésel", sino que se establecen umbrales de arranque y parada del generador en función del SOC (estado de carga) y la previsión de carga, de modo que el generador intervenga solo en períodos de baja irradiación continua, teniendo en cuenta además la vida útil de los ciclos de la batería.

La captación de energía en el lado fotovoltaico la realiza el controlador MPPT. La serie de controladores MPPT fotovoltaicos SP200/150HAPV de VGID POWER adopta un diseño mural IP65, admite 16 entradas fotovoltaicas (SP200)/12 entradas (SP150), cuenta con capacidad de conversión elevadora-reductora y una eficiencia de conversión máxima del 99,26 %. La importancia de múltiples canales MPPT radica en la resistencia al sombreado y al desajuste de cadenas: cuando la matriz sufre sombreado parcial por edificios, vegetación o sombras de nubes, cada canal busca su punto óptimo de forma independiente, evitando que el desajuste de un canal arrastre la salida de toda la cadena.

2. Capa de almacenamiento: la capacidad determina la duración, la potencia determina la carga

El cálculo de la capacidad de la batería se basa en la duración máxima sin luz solar continua y el consumo diario medio, y no en una simple estimación de "potencia fotovoltaica instalada × coeficiente". En el lado de la potencia hay que calcular el pico máximo de arranque de las cargas: la corriente de arranque de motores, bombas y compresores puede alcanzar de 5 a 7 veces el valor nominal; si el PCS no deja suficiente margen, en el instante del arranque se producirá un disparo directo.

En la arquitectura de acoplamiento CC, la fotovoltaica, la batería y el PCS comparten el bus de CC, y es necesario realizar la adaptación de tensión y el enrutamiento de energía mediante módulos DCDC. Los módulos DCDC de las series SP120/60HCPV y SP105HCDC de VGID POWER adoptan un diseño de conducto de aire aislado, con una eficiencia máxima del 99,3 %, entrada de amplio rango de tensión CC, múltiples entradas fotovoltaicas, soporte para hasta 15 unidades en paralelo y capacidad de heterogeneidad de baterías (equilibrado de SOC); al ampliar un banco de baterías existente o mezclar celdas de distintos lotes, esta capacidad reduce notablemente el riesgo de consistencia.

3. Capa de conversión: el convertidor de potencia de almacenamiento (PCS) es el núcleo del sistema

El PCS realiza la conversión bidireccional entre CC y CA y establece la tensión y la frecuencia en modo fuera de red. Los escenarios fuera de red exigen la máxima capacidad de formación de red del PCS, ya que en el sistema no hay una gran red que proporcione referencia y el PCS debe asumir el papel del generador síncrono.

VGID POWER ofrece diversos modelos de formación de red para distintas potencias y condiciones de instalación:

• Convertidor de potencia de almacenamiento para microred de la serie SP135HAPSS: mural de alta protección IP65, con dispositivo de conmutación conectado a red/fuera de red integrado y módulo ATS de doble entrada de CA, admite hibridación con generador diésel y conexión en paralelo de varias unidades, con corriente de derivación máxima de 230 A. Su diseño ATS de doble entrada de CA permite que las dos fuentes de alimentación "red eléctrica (si existe) + generador diésel" realicen la conmutación y el enclavamiento en el mismo equipo, simplificando el circuito primario del sistema.
• Convertidor de potencia de almacenamiento para microred de la serie SP125HCPS: orientado a microredes de almacenamiento de pequeña y mediana potencia, admite acoplamiento CC/CA, modelo opcional con STS integrado (tiempo de conmutación <10 ms), eficiencia máxima del 98,5 %, capacidad de sobrecarga del 125 % y control de conexión a red trifásico independiente, y admite conexión de baterías heterogéneas.
• Inversores híbridos de la serie SP60/50/40/30HCG2: aislamiento del conducto de aire y diseño de CC de amplio rango de tensión y gran corriente, compatibles con celdas de 280/314 Ah, conmutación sin interrupción con STS integrado, admite doble MPPT, hibridación con generador diésel y conexión en paralelo de varias unidades, capacidad de sobrecarga del 150 %, eficiencia máxima del 98,2 %, adecuados para disposición distribuida de pequeña y mediana potencia.

Si se necesita independizar como módulo la conmutación conectado a red/fuera de red en el bus de CA, se puede optar por el módulo de conmutación estática de la serie STS200/400/600: tiempo de conmutación <20 ms, admite conmutación sin interrupción conectado a red/fuera de red, integra detección bidireccional en el lado de red y de carga, LocalEMS e interfaces de comunicación RS485/CAN/4G, y se adapta a las normas de conmutación conectado a red/fuera de red de varios países.

4. Capa de gestión: el EMS determina el beneficio real y la vida útil de la batería

El EMS se encarga de la estrategia de despacho: si la fotovoltaica prioriza alimentar la carga o cargar la batería, a partir de qué SOC arranca el generador diésel, qué profundidad de descarga se controla, cómo se reparte la potencia cuando hay varias unidades en paralelo. La estrategia determina directamente tres indicadores clave: el consumo de combustible, la vida útil de los ciclos de la batería y la disponibilidad del sistema. El EMS integrado en los productos todo en uno de VGID POWER admite estrategias como el recorte de picos y llenado de valles, la prevención de flujo inverso y la hibridación diésel-eléctrica, y puede conectarse a la supervisión de nivel superior mediante interfaces de comunicación.

Tres formas de configuración típicas

En la práctica de ingeniería, las microredes fuera de red se dividen en tres formas según el nivel de potencia y el grado de integración; al seleccionar, primero se define la forma y luego la capacidad.

Forma uno: todo en uno (ALL IN ONE), la opción preferida para escenarios pequeños y medianos

Integra el PCS, el MPPT, el EMS, el interruptor de conmutación conectado a red/fuera de red y las unidades de distribución de CA y CC en el mismo armario; en el sitio solo hay que conectar las cuatro interfaces de fotovoltaica, batería, carga y generador diésel. Sus ventajas son menor carga de diseño, menor superficie ocupada y puesta en marcha rápida.

El modelo principal de VGID POWER es el todo en uno solar-almacenamiento conectado a red/fuera de red SP250HAG2T: integra PCS, MPPT, EMS, interruptor de conmutación conectado a red/fuera de red PCM, unidades de distribución de CA y CC, control del generador diésel, pararrayos y transformador de aislamiento integrado, y admite la conexión de generador diésel, fotovoltaica y batería. Su tiempo de conmutación rápida conectado a red/fuera de red es de 10 ms, la eficiencia de carga de acoplamiento CC multicanal es superior al 99,3 %, admite hibridación con generador diésel y funcionamiento con formación de red, y puede ampliarse en paralelo con varias unidades; es adecuado para microredes solar-almacenamiento-diésel y fuentes de alimentación mineras con respaldo diésel-almacenamiento, entre otros escenarios.

Si el proyecto exige un nivel de tensión o un aislamiento eléctrico adicional, se puede elegir la serie SP250HAG2T (variante con transformador de aislamiento integrado), con el transformador de aislamiento integrado en el armario, lo que evita configurar en el sitio equipos independientes de elevación o aislamiento.

Forma dos: todo en uno seriado, escenarios de media y gran potencia

Cuando la carga alcanza de cientos de kilovatios a nivel de megavatio, se necesitan unidades de potencia mayores y un grado de protección más alto. La serie SP375/500HAG2 de todo en uno solar-almacenamiento conectado a red/fuera de red integra en un solo equipo PCS, MPPT, EMS, interruptor de conmutación conectado a red/fuera de red PCM y unidades de distribución de CA y CC, con protección IP54, eficiencia de carga >99,3 %, conmutación rápida conectado a red/fuera de red <20 ms, admite conexión de generador diésel/fotovoltaica/batería, y el EMS incorpora estrategias de recorte de picos y llenado de valles, prevención de flujo inverso e hibridación diésel-eléctrica, con soporte para conexión en paralelo de varias unidades.

Forma tres: armario todo en uno, alimentación de emergencia y obras

Para escenarios que requieren suministro concentrado de gran potencia y despliegue rápido, el armario todo en uno SP750H54PSTD ofrece 750 kVA de potencia por armario, con PCS, EMS, transformador de aislamiento y unidades de distribución de CA y CC integrados en su interior, admite STS externo (tiempo de conmutación ≤20 ms), admite la conexión de red, generador diésel y batería e incorpora interruptor de conexión fotovoltaica, con alta protección IP54 y soporte para conexión en paralelo de varios armarios. Es adecuado para alimentación de emergencia, diésel-almacenamiento, obras de construcción y otros escenarios.

Diseño de capacidad: primero la energía, luego la potencia

El diseño de capacidad de un proyecto fuera de red tiene dos objetivos independientes que deben calcularse por separado.

Paso uno: determinar la capacidad de la batería según el consumo diario

Se contabiliza el consumo diario medio (kWh) y el número máximo de días consecutivos sin luz solar (días de autonomía); la capacidad útil de la batería debe cumplir:

• Capacidad útil ≥ consumo diario medio × días de autonomía ÷ eficiencia del sistema
• La profundidad de descarga (DOD) se controla generalmente entre el 80 % y el 90 %; en sistemas de fosfato de hierro y litio no conviene mantener ciclos completos de carga y descarga prolongados
• La eficiencia del sistema debe incluir las pérdidas de conversión del PCS, las pérdidas del DCDC y las pérdidas de línea; en ingeniería se suele adoptar un valor de 85 % a 92 %

Paso dos: determinar la potencia del PCS según las características de la carga

• Se contabiliza la potencia nominal total de las cargas y el coeficiente de simultaneidad máximo para obtener la demanda de potencia en régimen estable;
• Se calcula por separado la corriente de arranque de las cargas inductivas (motores, bombas, compresores, aire acondicionado) y se verifica superponiendo el mayor pico de arranque de una sola unidad al resto de cargas en régimen estable;
• Se reserva un margen de potencia del 20 % al 30 % para el crecimiento futuro de la carga y el margen de reparto de potencia en la conexión en paralelo de varias unidades.

Ejemplo: una aldea africana con un consumo diario medio de 240 kWh, un requisito de autonomía de 1 día y una eficiencia del sistema de 0,9, necesita una capacidad útil ≥ 240 × 1 ÷ 0,9 ≈ 267 kWh; si la fotovoltaica diurna cubre la mayor parte de la carga, la configuración real puede ajustarse a la baja según la curva de producción fotovoltaica. En el lado de la potencia, si varias bombas suman 120 kW y la mayor de ellas es de 45 kW, verificando con una corriente de arranque de 6 veces y considerando el coeficiente de simultaneidad, la selección del PCS debe ser superior a 150 kW y contar con suficiente capacidad de sobrecarga.

Escenarios de aplicación típicos

Puntos clave de la ejecución del proyecto

1. Clasificación de cargas y límite de suministro garantizado

En un sistema fuera de red debe quedar claro "qué cargas es imprescindible garantizar". Normalmente se dividen en tres niveles: el nivel uno son las cargas críticas como iluminación, comunicaciones, atención médica y seguridad; el nivel dos son las cargas productivas; el nivel tres son las cargas interrumpibles (por ejemplo, parte del aire acondicionado y equipos de procesamiento no críticos). La configuración de capacidad se basa en el nivel uno más el nivel dos, y las cargas de nivel tres se desconectan activamente mediante el EMS cuando el SOC de la batería es bajo, evitando el corte total de la planta.

2. Forma de puesta a tierra y configuración de protecciones

Un sistema fuera de red no dispone de la referencia de puesta a tierra que proporciona el lado de la red, por lo que la forma de puesta a tierra debe definirse en la fase de diseño; la práctica habitual es poner a tierra directamente el neutro del lado de CA del PCS o hacerlo a través de una impedancia, y configurar protección diferencial independiente y monitorización de aislamiento. La configuración de pararrayos debe cubrir tanto el lado de CC fotovoltaico como el lado de CA; los productos todo en uno suelen incorporar pararrayos, pero la bajante en el sitio y la resistencia de puesta a tierra deben calcularse por separado.

3. Conexión en paralelo de varias unidades y reparto de potencia

Cuando la capacidad supera la de una sola unidad, se recurre a la conexión en paralelo de varias unidades. En ingeniería hay que prestar atención a tres puntos: si el protocolo de conexión en paralelo de los modelos es coherente, si el enlace de comunicación es redundante y si la estrategia de reparto de potencia es equitativa o maestro-esclavo. Varios modelos de VGID POWER (SP250HAG2T, SP375/500HAG2, SP135HAPSS, SP125HCPS, SP60HCG2) admiten la conexión en paralelo de varias unidades; al ampliar, conviene priorizar modelos de la misma serie y potencia para evitar la complejidad de corrientes circulantes y despacho que conlleva mezclar modelos.

4. Adaptabilidad ambiental y grado de protección

El despliegue en exteriores requiere elegir el grado de protección según las condiciones del sitio: IP65 es adecuado para instalaciones murales que necesitan protección contra lluvia y polvo (SP135HAPSS, SP200/150HAPV); IP54 es adecuado para armarios todo en uno (SP375/500HAG2, SP250HAG2T). En zonas de alta temperatura, alta humedad y alta niebla salina también debe considerarse el diseño de conducto de aire aislado (SP60HCG2 y SP120/60HCPV adoptan conducto de aire aislado) para retrasar el envejecimiento de los componentes electrónicos.

5. Puesta en marcha y aceptación

Se recomienda poner en marcha en el siguiente orden: primero una sola unidad con carga ficticia para verificar la salida de tensión y frecuencia; después conectar la fotovoltaica para verificar la búsqueda del punto óptimo del MPPT y la lógica de limitación de potencia; a continuación conectar la batería para verificar la conmutación de carga y descarga y la calibración del SOC; por último conectar el generador diésel para verificar el arranque y parada híbridos y la conmutación conectado a red/fuera de red. La aceptación se centra en la medición del tiempo de conmutación, la desviación de tensión en régimen estable, el rango de fluctuación de frecuencia, la tasa de distorsión armónica y la tasa de éxito de arranque del generador diésel.

Preguntas frecuentes

P: ¿Un sistema fuera de red necesita obligatoriamente un generador diésel?

No necesariamente, pero se recomienda conservarlo. Si las condiciones de insolación locales son estables y el requisito de días de autonomía no es elevado, una configuración puramente solar-almacenamiento puede ser viable en algunos proyectos; sin embargo, ante días nublados y lluviosos continuos, un sistema puramente solar-almacenamiento solo puede responder aumentando la capacidad de la batería o limitando la carga, y el costo marginal de aumentar la capacidad de la batería suele ser superior al de instalar un generador diésel de pequeña potencia. La práctica habitual en ingeniería es "solar-almacenamiento como principal, diésel como auxiliar", y la potencia del generador diésel puede seleccionarse según la potencia en régimen estable de las cargas de nivel uno, sin necesidad de configurarla según el pico de toda la planta.

P: ¿Cuanto mayor sea la capacidad de la batería, más seguro es?

No. Una capacidad excesiva, por un lado, eleva la inversión inicial y, por otro, hace que la batería opere durante mucho tiempo en un rango de SOC bajo o en ciclos superficiales, lo que puede agravar las diferencias de consistencia del banco de baterías. La capacidad debe calcularse con precisión según los días de autonomía y el consumo diario, dejando una ventana razonable de operación del SOC.

P: ¿Qué sentido tiene la conmutación conectado a red/fuera de red en un sistema fuera de red?

Muchos proyectos denominados "fuera de red" son en realidad escenarios de "red débil" o "suministro intermitente": hay red eléctrica de día y corte de noche, o cortes fijos de varias horas a la semana. Estos proyectos deben utilizar modelos conectados a red/fuera de red, con el PCS realizando la conmutación bidireccional; los modelos puramente fuera de red no pueden conectarse a red de forma inversa ni volver automáticamente cuando se restablece la red.

P: ¿La fluctuación de la producción fotovoltaica provocará inestabilidad de tensión y frecuencia?

Precisamente en esto radica el valor central del sistema de almacenamiento. El PCS de formación de red establece la referencia de tensión y frecuencia, la batería proporciona soporte de potencia instantánea y la fluctuación fotovoltaica es absorbida por el almacenamiento, de modo que el lado de la carga no la percibe. Si se utilizan equipos seguidores de red sin almacenamiento, la fluctuación fotovoltaica se transmitirá directamente a la carga.

P: ¿Se puede hacer operación y mantenimiento remotos de los equipos?

Sí. Los productos de VGID POWER admiten generalmente interfaces de comunicación RS485/CAN/4G, lo que permite enviar los datos de funcionamiento a la plataforma de monitorización y consultar remotamente el SOC, la potencia de carga y descarga, el estado de las alarmas y los registros de fallos. Para proyectos con acceso difícil, como islas y zonas mineras, la capacidad de operación y mantenimiento remotos es clave para reducir el costo del ciclo de vida completo.

Imágenes reales de proyectos

Contáctenos

Para escenarios insulares, aldeas, zonas mineras, campos petrolíferos, granjas o suministro de emergencia, VGID POWER puede ofrecer una solución completa de microred de almacenamiento de energía fuera de red, desde el cálculo de capacidad y el diseño de la solución hasta la selección de equipos y la puesta en marcha y entrega. Le invitamos a contactarnos para obtener el diseño de la solución y la cotización.