Cómo dimensionar la interconexión de un BESS: kVA y %Z

Un sistema de almacenamiento de energía con baterías se compra en megavatios y megavatios-hora, pero todo lo que hay entre él y la empresa eléctrica se compra en kVA, amperios y kA. Esa conversión es donde fallan los paquetes de interconexión. Un sistema de conversión de potencia de 2 MW que sostiene la capacidad reactiva que exige IEEE 1547-2018 no es una fuente de 2000 kVA — al factor de potencia de 0.90 al que corresponde esa capacidad, es una fuente de 2222 kVA, que se redondea hacia arriba en la escala ANSI/IEEE C57.12 a un transformador de 2500 kVA, consume 2138 A de forma continua a 600 V, y necesita 2673 A de conductor y un dispositivo de 3000 A una vez que NEC 705.28(A) aplica su 125 por ciento. El primer número determina todos los que siguen. A continuación se presenta toda la cadena — kVA del inversor, kVA del transformador, %Z, nivel de falla y las cláusulas detrás de cada paso — y estas son las reglas que ejecuta la calculadora de dimensionamiento y protección de transformadores del sitio.

Por qué los kW de un inversor no son los kVA que transporta el transformador

Un bloque de baterías se especifica en kW y kWh — esa división se desarrolla en cómo dimensionar un sistema de almacenamiento de energía con baterías. La interconexión se especifica en kVA, porque el calentamiento sigue a la corriente y la corriente sigue a la potencia aparente. El puente es el factor de potencia que el inversor debe mantener.

IEEE 1547-2018 es donde reside ese requisito. La Categoría A debe inyectar potencia reactiva hasta 44 por ciento de su capacidad nominal de potencia aparente y absorber hasta 25 por ciento; la Categoría B debe hacer ambas cosas al 44 por ciento, a lo largo de todo el rango de tensión ANSI C84.1 Rango A y no solo a la tensión nominal. El resumen de EPRI da la razón: “la capacidad del 44% se eligió para corresponder a un factor de potencia de 0.90 en la potencia activa nominal.” Las empresas eléctricas generalmente especifican la Categoría B a escala de megavatios — vea qué exige IEEE 1547-2018.

S (kVA) = P (kW) ÷ PF

Un bloque de 2000 kW al que se le pide mantener un factor de potencia de 0.90 es una máquina de 2222 kVA. Si se coloca debajo un transformador de 2000 kVA, este funciona sobrecargado en 11 por ciento cada hora en que la empresa eléctrica solicita vars.

¿Qué tamaño de transformador necesita un bloque de baterías de 2 MW?

Un ejemplo resuelto — 2 MW / 4 MWh a 600 V hacia un alimentador de 12.47 kV

Un sitio comercial e industrial agrega un sistema de 2 MW / 4 MWh para recorte de picos y soporte de vars. La salida del inversor es de 600 V trifásicos, 60 Hz; el alimentador es de 12.47 kV; la interconexión es un transformador elevador dedicado, no una alimentación inversa.

I = kVA × 1000 ÷ (√3 × V_LL)

1. Potencia aparente que debe transportar el transformador. La empresa eléctrica especifica la Categoría B de IEEE 1547, por lo que el inversor mantiene un factor de potencia de 0.90 en la salida nominal: 2000 kW ÷ 0.90 = 2222.2 kVA.
2. Corriente de salida de CA continua nominal. 2 222 200 ÷ (√3 × 600) = 2 222 200 ÷ 1039.23 = 2138.3 A. Esta es la corriente nominal de placa a partir de la cual se define cada regla posterior.
3. Capacidad del transformador. Redondee 2222.2 kVA hacia arriba en la escala estándar — 1500, 2000, 2500, 3000 kVA. La carga es 2222.2 ÷ 2500 = 88.9 por ciento, un punto de operación continua correcto para una máquina con capacidad según IEEE C57.12.00 a 30 °C ambiente. La convención del 80 por ciento en cómo dimensionar un transformador cubre la carga diversificada de un edificio que puede crecer más allá de su demanda calculada; un inversor con límite de corriente no puede hacerlo, así que 2222.2 ÷ 0.8 = 2778 kVA compra una unidad de 3000 kVA para un riesgo que no existe.
4. Conductores y el dispositivo de baja tensión. NEC 705.28(A) exige que los conductores del circuito de salida tengan una capacidad de al menos 125 por ciento de la corriente nominal, y NEC 705.30 exige lo mismo para el dispositivo de sobrecorriente: 1.25 × 2138.3 = 2672.9 A. La siguiente capacidad estándar en NEC 240.6(A) es 3000 A, por lo que el tablero lleva un bus e interruptor principal de 3000 A.
5. Corriente a plena carga de media tensión. A la capacidad del transformador: 2 500 000 ÷ (√3 × 12 470) = 2 500 000 ÷ 21 598.7 = 115.7 A. De ahí se derivan el interruptor primario, el cable y la relación de TC — un TC de 200:5 deja margen para los ajustes que NEC 450.3(A) permite por encima de 1000 V.
6. Nivel de falla en el bus de 600 V. La corriente secundaria a plena carga es 2 500 000 ÷ 1039.23 = 2405.6 A. Con una impedancia especificada de 5.75 por ciento (qué %Z especificar), el aporte de fuente infinita es 2405.6 ÷ 0.0575 = 41 837 A, y el inversor agrega 1.2 × 2138.3 = 2 566 A, para un total de 44 403 A.
7. Capacidades del equipo. 44.4 kA descarta los equipos de 42 kA; el tablero, su interruptor principal y cada dispositivo de alimentador necesitan una capacidad de 65 kA — vea corriente de falla disponible y capacidades de cortocircuito del equipo.

I_min = 1.25 × I_rated

Cada paso se apoya en el anterior, y la única entrada medida es la placa del inversor. Cambie el tamaño del bloque o la tensión en la calculadora de dimensionamiento y protección de transformadores y toda la cadena se ajusta junto con él.

¿En qué se traducen los tamaños de bloque estándar?

La tabla ejecuta la misma cadena a un factor de potencia de 0.90, redondeando hacia arriba tanto el transformador como el dispositivo — la escala ANSI para uno, NEC 240.6(A) para el otro.

A 1500 kW, el piso del 125 por ciento es 2004.7 A — 4.7 A por encima de la capacidad estándar de 2000 A, lo que obliga a un dispositivo de 2500 A y un bus correspondiente.

¿Cuánta corriente de falla llega al bus de baja tensión?

Dos fuentes alimentan una falla en ese bus, y su comportamiento no se parece en nada.

I_sc (transformer) = I_FLA ÷ (%Z ÷ 100)

I_sc (total) = I_sc (transformer) + k × I_PCS

La red entrega lo que permita la impedancia porcentual — el criterio de fuente infinita usado en dimensionamiento de la protección contra sobrecorriente del transformador. El inversor entrega solo lo que sus semiconductores pueden soportar. El IEEE Power System Relaying Committee ubica esto en “un rango típico entre 1.1 pu y 2.0 pu” de la corriente nominal, y señala que un recurso “con su límite de corriente fijado en 120%” inyecta mucha menos corriente de secuencia negativa que una máquina síncrona. Ese 120 por ciento es un límite de corriente ilustrativo, no un multiplicador recomendado; la k que se usa a continuación es 1.2 porque las hojas de datos comúnmente lo declaran así, y de la hoja de datos es de donde debe obtenerse.

La impedancia es una línea en la orden de compra, no una propiedad de una capacidad nominal. En la unidad de 2500 kVA y 600 V anterior:

El paso entre 5.75 por ciento y 6.5 por ciento mueve la selección de una clase de 65 kA a una clase de 42 kA, y esa decisión se define antes de liberar el transformador para fabricación. No es gratis — la impedancia también es regulación de voltaje — y la impedancia de placa tiene una tolerancia, así que use el valor medido en la prueba de rutina.

Dónde difiere Canadá — Secciones 64 y 84 del CEC

La aritmética es idéntica en Canadá; el camino normativo no lo es. El Código Eléctrico Canadiense divide la tarea entre la Sección 64 (sistemas de energía renovable) y la Sección 84 (interconexión de fuentes de producción de energía eléctrica).

Tres divergencias importan. Primero, el límite de alimentación inversa. NEC 705.12(B) permite que la suma del dispositivo de la fuente y el dispositivo de suministro del bus alcance 120 por ciento de la capacidad del bus — figuraba en 705.12(B)(3)(2) en el NEC 2020 y se ha desplazado entre ediciones, así que cite la edición que haya adoptado la autoridad competente. La Regla 64-112 del CEC plantea la misma idea con una división: “la suma de las capacidades en amperios de los dispositivos de sobrecorriente en los circuitos de fuente que alimentan a un bus o conductor puede exceder la capacidad del bus o conductor hasta un máximo de 120% de la capacidad del bus o conductor”, y 125 por ciento para unidades de vivienda. Ninguna de las dos rige el ejemplo resuelto — un transformador elevador dedicado en su propio alimentador no es una alimentación inversa hacia un bus compartido.

Segundo, la protección del transformador, donde los códigos realmente se separan. La Regla 84-012 la dimensiona conforme a la Sección 26 considerando primero un lado del transformador y luego el otro como primario — ambos devanados pasan la prueba. El NEC designa un único primario: según 705.30(F)(1) es el lado con la mayor corriente de falla disponible, y la Tabla 450.3(A) por encima de 1000 V o la Tabla 450.3(B) por debajo fija los porcentajes, que difieren de las cifras de la Regla 26-254 del CEC, como se expone en el artículo sobre protección contra sobrecorriente. Tercero, el aislamiento: las Reglas 84-010, 84-020, 84-022 y 84-024 rigen la protección desde cada fuente y un medio de desconexión que abre simultáneamente todos los conductores no puestos a tierra, la Regla 64-060 hace lo mismo del lado del inversor, y la Regla 84-030 exige un aviso de advertencia y un diagrama unifilar en la acometida.

El mismo bloque en un alimentador canadiense de 27.6 kV

Los pasos 1 a 4 no cambian — 2222.2 kVA, 2138.3 A, un transformador de 2500 kVA, un interruptor principal de 3000 A. Solo cambia el primario: 2 500 000 ÷ (√3 × 27 600) = 2 500 000 ÷ 47 804.6 = 52.3 A, menos de la mitad del caso de 12.47 kV, por lo que un TC de 100:5 reemplaza al de 200:5.

Qué especificar

• Potencia aparente nominal del inversor en kVA al factor de potencia requerido — 2222 kVA para un bloque de 2000 kW a FP 0.90, según la categoría de IEEE 1547-2018 indicada en el acuerdo de interconexión.
• kVA del transformador tomados de la escala estándar, con la carga indicada — 2500 kVA al 88.9 por ciento en este caso, sobre la base de capacidad continua de IEEE C57.12.00. Indique la temperatura ambiente y la altitud si el sitio está fuera de la base de 30 °C y 1000 m.
• Impedancia porcentual como valor especificado — 5.75 por ciento da 44 403 A en un bus de 600 V y equipos de 65 kA; 8 por ciento da 32 636 A y equipos de 42 kA. La cifra proviene del estudio de cortocircuito.
• Ampacidad del conductor y capacidad del dispositivo al 125 por ciento de la corriente nominal — 2672.9 A, redondeados a 3000 A según NEC 240.6(A), conforme a NEC 705.28(A) y 705.30, o NEC 706.30 y 706.31 cuando rige la placa del ESS.
• Aporte de falla del inversor como cifra declarada en por unidad — 1.1 a 2.0 pu es el rango del IEEE PSRC; indique el límite y su duración para que el estudio de coordinación cuente con una cifra.
• Corriente del devanado de media tensión, BIL y relación de TC — 115.7 A a 12.47 kV o 52.3 A a 27.6 kV; la clase de tensión determina el BIL.
• Protección y desconexión, en ambos sentidos — NEC 450.3 con 705.30(F)(1), o CEC 84-012 con la Sección 26 y los medios de desconexión de las Reglas 84-020 a 84-024, con los ajustes provistos por la empresa eléctrica.

Errores comunes

• Dimensionar el transformador a partir de los kW. Un inversor de 2000 kW sobre un transformador de 2000 kVA funciona al 111 por ciento cada vez que la empresa eléctrica solicita los vars que IEEE 1547 le exige suministrar. La cifra correcta es 2222 kVA, redondeando a 2500 kVA. El requisito de despacho reactivo del estudio de interconexión detecta esto.
• Trasladar un margen del lado de carga a un transformador del lado del inversor. 1.25 × 2222 kVA = 2778 kVA, y la convención del 80 por ciento da la misma respuesta, empujando el pedido hacia una unidad de 3000 kVA. NEC 705.28(A), 705.30 y 706.30 colocan el multiplicador sobre los conductores y los dispositivos de sobrecorriente; un transformador fabricado según IEEE C57.12.00 tiene capacidad para plena carga continua, y la fuente aquí no puede superar su placa.
• Ignorar el aporte del inversor al nivel de falla del bus. La cifra correspondiente solo al transformador a 5.75 por ciento es 41 837 A, dentro de una capacidad de 42 kA. Sume los 2 566 A que aporta el inversor a 1.2 pu y el total es 44 403 A, y ese equipo queda subdimensionado. Un estudio que modela el almacenamiento como carga pasiva no lo detecta.
• Redondear el dispositivo de sobrecorriente hacia abajo a la capacidad estándar más cercana. A 1500 kW, el piso es 2004.7 A — un dispositivo de 2000 A queda corto por 4.7 A. NEC 240.6(A) enumera 2500 A como la siguiente capacidad estándar, y el bus la sigue.
• Citar la regla del 120 por ciento del bus de una edición incorrecta, o donde no aplica. Se desplazó dentro del Artículo 705 entre ediciones, y rige únicamente las alimentaciones inversas hacia un bus compartido. Un transformador elevador dedicado en su propio alimentador se dimensiona con NEC 705.28(A), no con 705.12(B).

Dónde encaja Entogo

Entogo, con sede en Toronto, fabrica transformadores, subestaciones prefabricadas, celdas y equipos de almacenamiento de baterías en su propia fábrica de origen verticalmente integrada. Los equipos elevadores como la subestación tipo skid solar y de almacenamiento cubren clases de tensión de hasta 34.5 kV y están diseñados y fabricados conforme a IEEE C57.12.34, C57.159 y C37.121; certificable UL (cULus)/CSA a solicitud. Los conjuntos de baja tensión como el tablero de baja tensión están diseñados y fabricados conforme a UL 891 a 600 V y menos, la clase de equipo en la que caen el bus de 3000 A y la capacidad de 65 kA del ejemplo resuelto; certificable UL (cULus)/CSA a solicitud. Esas normas son contexto de integración; nada de lo anterior indica que un producto cuente con una homologación de un tercero.

La calculadora de dimensionamiento y protección de transformadores convierte el tamaño de un bloque en kVA estándar, corriente a plena carga y protección contra sobrecorriente en un solo paso, y el configurador de transformadores lleva los kVA, la tensión, la impedancia y el enfriamiento hasta una especificación completa. La línea de transformadores y subestaciones, el almacenamiento comercial e industrial y el almacenamiento de energía con baterías en contenedor cubren el resto, con la topología de acoplamiento en solar más almacenamiento acoplado en CC versus en CA y la elección de inversor en inversores grid-forming versus grid-following. Cuando los tres provienen de un mismo fabricante, pueden especificarse contra un único estudio de cortocircuito.

Un paquete de interconexión es una cadena de cinco números, y solo el primero se mide. Tome la potencia aparente del inversor al factor de potencia que exige la empresa eléctrica, redondéela hacia arriba en la escala estándar, coloque el multiplicador de 125 por ciento sobre los conductores y el dispositivo y no sobre el transformador, elija la impedancia con el estudio de cortocircuito abierto, y sume el aporte propio del inversor antes de que alguien ordene el equipo.