Capacidad de carga en modo isla

Explicación detallada de la capacidad de carga en modo isla del PCS

Este documento describe los límites de capacidad de un PCS (inversor de almacenamiento) para conmutar directamente transformadores y motores en modo isla/aislado, así como las reglas de dimensionamiento cuando coexisten múltiples cargas. A continuación se desglosa punto por punto.

I. Glosario previo

• PCS de seguimiento de red (Grid-Following, GFL): necesita la tensión de la red como referencia, no establece tensión por sí mismo y tiene una capacidad de sobrecarga limitada (normalmente 1,1~1,2 veces la nominal, y 1,0~1,1 veces de forma sostenida).
• PCS formador de red (Grid-Forming, GFM): es capaz de establecer por sí mismo la referencia de tensión y frecuencia, puede verse como un "generador virtual" y tiene una elevada capacidad de sobrecarga (hasta 3 veces la nominal de forma instantánea, regresando a 1,5 veces en 3~10 segundos).
• Pn / In: potencia nominal / corriente nominal del PCS.
• PA / PB / PC: niveles de potencia, respectivamente, de la carga ya en estado estable, el transformador recién conectado y la nueva carga de impacto adicional.

II. Punto 1 — Conexión directa de transformador al PCS en modo isla

1.1 Contexto físico: corriente de irrupción magnetizante del transformador

En el instante de cierre del transformador en vacío, debido a la combinación del magnetismo residual del núcleo y una fase de tensión desfavorable, el devanado entra en saturación magnética profunda, apareciendo una corriente de irrupción con una amplitud de 6 a 8 veces la corriente nominal y una duración de 0,5 a 2 segundos. Es la llamada "corriente de irrupción de cierre / magnetizing inrush".

La corriente de irrupción no es potencia de carga real, sino corriente reactiva (corriente magnetizante), pero su amplitud es enorme, lo que puede disparar las protecciones del PCS o reducir la tensión del bus.

1.2 Interpretación de la regla

Implicación práctica: durante la puesta en marcha en modo isla, si el transformador del lado de la planta es ≥ 0,5 Pn, se debe utilizar un equipo formador de red, o bien cambiar a un esquema de maniobra con preimantación / dispositivo de arranque suave (por ejemplo, interruptor de cierre con inserción resistiva previa, transformador de arranque suave).

III. Punto 2 — Arranque directo de motor por el PCS en modo isla

2.1 Contexto físico: impacto del arranque directo del motor

Cuando un motor asíncrono se arranca directamente en línea (DOL, Direct-On-Line): - En el instante del arranque, el deslizamiento s=1, la resistencia equivalente del rotor es mínima; - La corriente de arranque suele ser de 6 a 10 veces la corriente nominal; - El par de arranque también es elevado (aproximadamente 1,5~3 veces el par nominal); - Duración de 1 a 3 segundos.

Este apartado adopta de forma conservadora un factor de impacto de 10 veces.

2.2 Interpretación de la regla

Requisito:

$$\boxed{I_{\text{impacto}} = 10 \times I_{n,\text{motor}} \le I_{n,\text{PCS}}}$$

Es decir, $10 \times 0{,}1\,P_n \le P_n$ lleva el límite justo a la corriente nominal del PCS. Por tanto, la capacidad de un único motor debe ser ≤ 0,1 Pn.

Ejemplo: un PCS de 1000 kW (con capacidad formadora de red) solo puede arrancar directamente un único motor de hasta 100 kW. Para motores mayores se debe utilizar variador de frecuencia con arranque suave / arrancador suave / arranque estrella-triángulo u otros métodos.

IV. Punto 3 — Condición de coexistencia de múltiples cargas

Reglas de selección del PCS cuando ya existe una carga estable PA y se añade una nueva carga.

4.1 Incorporación de un transformador de conexión directa (PB)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1{,}5 \cdot P_A + 2 \times 2 \cdot P_B = 1{,}5\,P_A + 4\,P_B}$$

Significado de cada término:

¿Por qué se añade otro 2 al transformador? Porque la irrupción del transformador es un impacto reactivo: no consume potencia activa pero ocupa de forma importante el canal de corriente, por lo que debe dejarse margen según la capacidad de corriente, y no según la potencia media.

4.2 Incorporación de otras cargas de impacto (PC)

$$\boxed{P_{\text{PCS}} \ge 1{,}3 \cdot P_A + P_C}$$

Escenarios aplicables: arranque directo de aerogeneradores / arranque suave con variador / arranque con inductancia serie / conexión de compensación capacitiva / grandes equipos rectificadores, entre otros.

Referencia de factores de arranque directo: aerogenerador (axiales grandes) 5~7×; arranque con VFD 1,5~2×; arranque con inductancia serie 3~4×. Como el impacto ya está limitado, PC ya lleva implícita la reducción de la estrategia de control, por lo que basta sumar PC directamente.

V. Coeficiente de reducción por paralelismo

Cuando se ponen en paralelo varios PCS existe el fenómeno de corriente circulante / reparto desigual de corriente (incluso siendo del mismo modelo, hay pequeñas diferencias en caída de tensión del IGBT, precisión de muestreo y retardo de modulación), por lo que es obligatorio aplicar un factor de reducción:

La fórmula final de selección queda:

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1{,}5\,P_A + 4\,P_B\ \text{(o } 1{,}3\,P_A + P_C\text{)}}{k_{\text{paralelismo}}}$$

Donde $k_{\text{paralelismo}} = 0{,}95$ o $0{,}90$.

VI. Ejemplo integrador (consolidación)

Escenario: PCS formador de red, unidad individual de 1000 kW, con una carga estable de 300 kW, al que se le conectarán adicionalmente un transformador de 200 kVA y un motor de arranque directo de 90 kW.

1. ¿Se puede conectar directamente el transformador? 200 kVA > 0,5 × 1000 = 500 ❌ La capacidad de la unidad es suficiente, pero aquí se compara 200 / 1000 = 20 %, y sí se puede conectar directamente.
2. ¿Se puede arrancar directamente el motor? 90 kW / 1000 = 9 % < 10 % ✅ Se puede arrancar directamente.
3. Verificación de capacidad total (siguiendo la regla del transformador):

$$P_{\text{PCS}} \ge 1{,}5 \times 300 + 4 \times 200 = 450 + 800 = 1250\ \text{kW}$$

Es decir, una sola unidad de PCS no es suficiente; debe ampliarse a 1250 kW / 2 unidades en paralelo, aplicando la reducción por paralelismo de 0,95:

$$P_{\text{PCS,total}} \ge \frac{1250}{0{,}95} \approx 1316\ \text{kW}$$

→ Elegir un PCS de 2 × 800 kW = 1600 kW, dejando un mayor margen de seguridad.

VII. Conclusiones clave

1. Un PCS en modo isla no es la red eléctrica: no existe una "fuente infinita" que absorba los impactos, por lo que las capacidades de conexión deben calcularse para el peor escenario.
2. El transformador es la mayor fuente oculta de impacto (irrupción 6~8×), por lo que se le aplica por separado un factor 4.
3. El arranque directo del motor es la segunda fuente de impacto, pero su límite de capacidad es solo del 10 % de Pn, y en la práctica suele combinarse con variadores/arrancadores suaves.
4. El paralelismo implica obligatoriamente una reducción: no es que el algoritmo de reparto falle, sino que los dispositivos físicos son inevitablemente desiguales.
5. Todos estos valores llevan implícitos márgenes conservadores de ingeniería, pensados para absorber condiciones anómalas en obra, y no son valores teóricos de manual.