Sistemas de generadores en paralelo

Hospitales, aeropuertos, centros de datos, instalaciones de agua y aguas residuales, estaciones de combustible comunicación y sistemas de transporte requiere fuentes de energía alternativas para limitar el impacto y a la larga salvar vidas durante los tiempos de crisis. La pérdida de energía eléctrica debido a tormentas, desastres naturales o problemas de demanda alta de energía son cada vez más comunes. La pérdida de negocios y el impacto económico asociado de los cortes de energía son significativos. Los generadores de emergencia son necesarios para proporcionar la energía fiable requerida para mantener las operaciones durante las fallas del sistema de suministro principal. 

Por qué se usan los generadores a diésel

Los generadores a diésel están considerados entre los enfoques más fiables para proporcionar energía de respaldo. En comparación con los combustibles y tecnologías alternativos, los generadores a diésel proporcionan un suministro constante de energía de alta calidad y rendimiento superior para las demandas de energía transitorias o fluctuantes debido a las características de par alto de los motores diésel (consulte la Figura 2). Muchos códigos y normas de construcción internacionales requieren efectivamente generadores diésel para cumplir con el código debido a la necesidad de un tiempo de respuesta rápido, capacidad de carga, suministro de combustible y disponibilidad y fiabilidad. Una de las funciones más importante y exclusiva de los generadores diésel, en comparación con otras tecnologías, es el tiempo de respuesta rápida y la capacidad de carga en bloque en segundos de la falla de energía de la fuente normal.

NFPA 70: Código eléctrico nacional (NEC), artículo 517.30, además del Código eléctrico de California, requieren que los hospitales y las instalaciones de cuidados intensivos tengan sistemas de potencia de respaldo que arrancan automáticamente y funcionan a una capacidad total en 10 segundos de falla de energía. Los generadores de gas natural generalmente no son aceptables como fuente de energía para los generadores debido a la fiabilidad de la fuente de combustible. Durante los desastres naturales, como un terremoto, las líneas de gas se cortan inmediatamente para evitar el riesgo de incendio y explosión en caso de ruptura. Por último, los generadores diésel están disponibles en una gama de tamaños para cumplir con la demanda energética de la instalación.

Clasificaciones del generador

Al evaluar los grupos electrógenos para el funcionamiento en paralelo, las clasificaciones son importantes porque afectan directamente la eficiencia y eficacia del grupo electrógeno seleccionado según la aplicación. Es especialmente importante entender la aplicación específica, ya que esto ayudará a seleccionar la clasificación adecuada. Específicamente, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

• Factor de carga promedio
• Carga máxima requerida
• Variación de carga típica
• Tiempo de funcionamiento anual por grupo electrógeno.

ISO 8528-5-2013: Motor de combustión interna alternativo que impulsa los grupos electrógenos de corriente alterna, Parte 5: Los grupos electrógenos definen las clasificaciones del generador. Estas definiciones de clasificaciones se crearon para los grupos electrógenos gaseosos y diésel y se desarrollaron para proporcionar consistencia entre los fabricantes. Se debe considerar la norma ISO 8528 como una norma mínima para todas las clasificaciones del grupo electrógeno. Si el fabricante determina que un producto es capaz de tener un mayor rendimiento que el de la definición de ISO, se debe utilizar la clasificación del fabricante. Las definiciones relevantes para esta discusión son factor de potencia, clasificación de potencia de respaldo, clasificación de potencia principal y clasificación de potencia continua.

• Factor de potencia: el factor de potencia estándar para un generador trifásico es generalmente 0,8.
• Clasificación de potencia de respaldo: el grupo electrógeno es capaz de proporcionar energía de emergencia en momentos cuando no hay ninguna otra fuente disponible. ISO-8528-1 limita el factor de carga promedio de 24 horas a 70 % de la placa de identificación de clasificación de emergencia. No hay capacidad de sobrecarga disponible para los generadores de respaldo o de potencia continua. La norma ISO no proporciona límites sobre el tiempo de funcionamiento en caso de un corte de energía de los servicios públicos, los fabricantes tienen límites en el tiempo de funcionamiento de sus generadores generalmente en el rango de 200 a 500 horas para todo un año. Los generadores de respaldo generalmente operan aproximadamente 50 horas al año con un uso máximo esperado de 200 horas al año.
• Clasificación de potencia principal: los grupos electrógenos clasificados para la potencia principal están diseñados para suministrar corriente eléctrica en lugar de la energía comprada comercialmente de un servicio público. Estos incluyen aplicaciones como grupos de electrógenos de alquiler que suministran energía para uso temporal y también aplicaciones que generalmente están alejadas de un red de servicio públicos, como puestos en áreas silvestres, minería remota y operaciones de exploración de petróleo. ISO limita el factor de carga promedio de 24 horas a 70 % de la placa de identificación de clasificación principal. La energía con clasificación principal es capaz de proporcionar la energía durante un período de tiempo ilimitado a una carga variable. También se permite la sobrecarga pero solo a 10 % del valor nominal, que está permitido solo una vez en 12 horas.
• La clasificación de potencia continua: con una clasificación de potencia continua, el generador puede de nuevo proporcionar un suministro de energía por un período de tiempo ilimitado pero solo a una carga no variable. Pero la potencia de salida promedio resulta ser entre 70 % y 100 % de la salida de potencia nominal. La carga debe ser "relativamente constante", lo que significa que no debe tener variaciones significativas. De lo contrario, la clasificación de potencia principal será una mejor opción a considerar. Un generador continuo generalmente no tiene capacidad de sobrecarga. 

Usar generadores de voltaje bajo en los sistemas de voltaje medio

Para los generadores de 2.000 kW o menos, es común instalar generadores trifásicos de 480 V y transformadores elevadores de voltaje. El costo de los generadores de voltaje medio es significativamente más alto, del orden de $80.000 a $150.000 adicionales por unidad. Además, los generadores de voltaje medio generalmente no tienen la lista de UL necesaria para respaldar las cargas de energía de emergencia.

Para los sistemas de generación de energía de respaldo de voltaje medio que realizan operaciones de transferencia de transición cerrada, el lado de voltaje medio de los transformadores elevadores debe coincidir con el voltaje del sistema de distribución de servicios públicos.

Qué es estar en paralelo

Estar en paralelo es la operación por la cual varias fuentes de energía, generalmente dos o más generadores, están sincronizados y luego conectados a un bus común. Además, con la transición cerrada de vuelta al servicio público, PSG pondrá en paralelo los generadores y sincronizará la salida del generador con la fuente de servicios públicos durante un período breve antes de la transición de vuelta a la energía de servicios públicos. Al conectar los generadores en paralelo o sincronizarlos con los servicios públicos, se deben cumplir los siguientes criterios:

• Frecuencia combinada/adecuada
• Rotación de fase combinada/correcta
• Los voltajes de fase en fase y dentro de la gama de voltaje especificada.

Los parámetros típicos que determinan la sincronización incluyen una diferencia de voltaje de menos del 5 %, una diferencia de frecuencia de menos de 0,2 Hz y ángulo de fase máximo de 5 grados eléctricos entre las fuentes.

La transición cerrada se usa cuando se desea transferir cargas con cero interrupción de potencia cuando las condiciones lo permiten. Se usa cuando el sistema del generador transfiere de vuelta a los servicios públicos y cuando se realiza la prueba de carga de los generadores con cargas de edificios. La transición cerrada puede ser una transferencia de carga suave o una transferencia de conectar antes de desconectar. La transferencia de carga suave de PSG sincroniza y opera los generadores en paralelo con los servicios públicos y transfiere las cargas en aumento entre dos fuentes; de esta manera, se minimiza el voltaje o la frecuencia transitorios en la planta del generador y el sistema de distribución de servicios públicos.

El tiempo típico de solapamiento de carga suave es de unos 2 segundos. La transferencia antes de la ruptura pondrá en paralelo los generadores y realizará una transferencia de carga del generador a la compañía eléctrica. Esto puede ser la transferencia de una carga de bloque grande o la transferencia de varias cargas de bloque que tienen retrasos de tiempo entre las cargas de bloque. La transferencia de retraso de tiempo se puede programar a través de PSG o los interruptores de transferencia automática descendentes (ATS). El tiempo de superposición de conectar antes de desconectar de los ATS típico generalmente es menos de 100 milisegundos. 

Beneficios de los sistemas de generación de energía en paralelo

Poner en paralelo varias fuentes proporciona mayor fiabilidad, flexibilidad y administración de carga, y capacidades de mantenimiento con poca o nada de interrupción. Varios generadores en paralelo con un bus común pueden servir mejor las cargas críticas comerciales y de emergencia, particularmente durante el tiempo de respuesta del sistema y la respuesta de carga dinámica cuando están en funcionamiento. Sin embargo, sistemas de respaldo de generador en paralelo más complejos tienen ventajas significativas con respecto a la fiabilidad y redundancia. Estas ventajas incluyen redundancia, eficiencia, capacidad de expansión y facilidad de mantenimiento y reparación.

Redundancia: La redundancia inherente al funcionamiento en paralelo de varios generadores proporciona mayor fiabilidad que una sola unidad de generador para cargas críticas. Si una unidad falla, las cargas de respaldo se distribuyen entre otros generadores en el sistema de forma prioritaria. En muchos ambientes, las cargas de emergencia que necesitan el grado más alto de energía de respaldo fiable generalmente representan solo una fracción de la energía general generada por el sistema. En un sistema paralelo, esto significa que la mayoría de los elementos de emergencia tendrán la redundancia necesaria para mantener energía incluso si una de las unidades deja de funcionar. Si se adopta la configuración N+1, un generador puede estar fuera de línea para mantenimiento mientras sirve las cargas requeridas. Además, proporcionar un repuesto en funcionamiento, una configuración de generador N+1 aumentará la fiabilidad del sistema del generador de 98 % a 99,96 % de fiabilidad.

Uno de los objetivos principales de la redundancia es eliminar los puntos de fallas simples. El objetivo es eliminar los puntos simples de falla, y se debe tener cuidado para garantizar que simplemente no se muevan a otra parte del sistema. Los controles que permiten la redundancia también se deben analizar para evitar los modos de falla que comprometen la fiabilidad. Por ejemplo, los grupos electrógenos en paralelo que cuentan con un solo control maestro para las señales de arranque y cierre del bus en paralelo de hecho reemplazan un punto de falla con dos, ya que el control maestro y el enlace de comunicación entre los grupos electrógenos y el maestro cada uno representan un solo punto de falla. Un sistema en paralelo bien diseñado tendrá dos sistemas de control de respaldo en caliente, vías de comunicación redundantes, fuentes de alimentación de corriente continua seleccionadas por la mejor batería redundante, varios disyuntores, varias vías de alimentación y un procedimiento bien documentado para la recuperación del sistema cuando falle un componente.

Eficiencia: un sistema eficiente proporciona más estabilidad y reduce los costos y pérdidas. Las cargas no permanecen a un nivel constante en la mayoría de las instalaciones. Las variaciones en la demanda energética pueden causar que un solo generador grande funcione a cargas de menos del 30 % de capacidad, lo cual puede causar apilamiento en húmedo. El punto operativo óptimo para los impulsores primarios es entre 75 % y 80 % de su valor nominal. En este punto, el generador estará en su eficiencia máxima. También se reducen los costos de mantenimiento y combustible. El sistema de control en paralelo puede estar equipado con un control de carga del generador que puede agregar y quitar generadores como respuesta a la carga real/demanda del sistema. Esta funcionalidad está habilitada por un retardo de retirada de generadores, que puede iniciar la retirada de generadores del bus en función del porcentaje de carga aceptable del generador seleccionado por el operador. Si la carga cambia y la demanda alcanza el 90 % de la capacidad de funcionamiento, por ejemplo, se puede arrancar un generador adicional, sincronizarlo y ponerlo en paralelo al bus sin tiempo de retraso. 

Capacidad de expansión: Al dimensionar los generadores para que coincidan con los requisitos de carga del sistema, a menudo, es difícil proyectar con exactitud los aumentos en la carga y planificar de forma adecuada ante los requisitos adicionales no anticipados. Si las proyecciones de carga son agresivas, la inversión inicial en un generador puede ser más que necesaria. Por otra parte, si las proyecciones de carga no son correctas, la potencia de respaldo se puede comprometer o se pueden requerir costosas mejoras del sistema luego de la instalación. Los sistemas paralelos ofrecen un nivel de adaptabilidad y modularidad que permite variaciones en la carga en el transcurso del tiempo y un funcionamiento óptimo de las unidades instaladas. Si la planificación de espacio físico se ejecuta correctamente, se pueden agregar generadores para suministro de energía adicional cuando se requieran.

Facilidad de mantenimiento y servicio: en un sistema de generadores en paralelo N+1, si un generador del sistema falla o requiere mantenimiento, las unidades individuales pueden desmontarse y repararse sin interrumpir el funcionamiento de las unidades restantes. Además, la redundancia inherente al sistema en paralelo proporciona varias capas de protección y garantiza un suministro ininterrumpido de energía para los circuitos críticos.

Es importante hacer coincidir todos los nuevos generadores del sistema en paralelo con el mismo fabricante, clasificaciones y tipo. Al modificar un sistema existente, es preferible hacer coincidir el fabricante, tipo, inclinación y clasificación del generador existente. Esta coincidencia evitará los problemas de carga compartida entre los generadores. Además, estandarizar un tipo de modelo también mejorará el mantenimiento y simplificará las operaciones del sistema del generador. 

Leslie Fernandez es un ingeniero eléctrico de proyectos sénior en JBA Consulting Engineers. Tiene más de 30 años de experiencia en ingeniería, diseño y trabajo de campo, incluidos sistemas de distribución de voltaje medio para plantas militares, de minería, de realización de túneles, fabricación de alimentos, producción de energía, instalaciones de gran altura y complejos de centros turísticos con casino.