Protección contra sobretensiones para sistemas de almacenamiento de energía por baterías (BESS): bus de corriente continua, convertidor de potencia del sistema (PCS) e interfaces de comunicación

1. Por qué los sitios de BESS requieren una protección en capas

Un sistema de almacenamiento de energía por baterías (BESS) integra circuitos de corriente continua de alta intensidad, conversión de corriente alterna conectada a la red y una red de control en un espacio compacto —a menudo en un contenedor o en un conjunto de armarios exteriores. Esta combinación lo hace susceptible a transitorios de múltiples formas simultáneamente: sobretensiones inducidas por rayos en cables exteriores, sobretensiones de conmutación procedentes de la conexión a la red y transitorios propagados a lo largo de las líneas de comunicación. Planificación Protección contra sobretensiones BESS Por lo tanto, parte del cableado, no de un producto aislado.

Cada parte del sistema soporta un tipo de circuito y una tensión diferentes, por lo que, por lo general, se equipa con su propio dispositivo de protección. Los cuatro caminos descritos a continuación constituyen una lista de verificación útil al evaluar una instalación, ya sea un pequeño armario comercial o una planta contenerizada de varios megavatios.

2. Cuatro vías de entrada de sobretensión

En la práctica, las sobretensiones llegan a un sistema de almacenamiento de energía mediante baterías (BESS) por cuatro vías principales: el conjunto de baterías y su bus de corriente continua (CC), el lado de corriente alterna (CA) del sistema de conversión de potencia (PCS), la red de comunicación del sistema de gestión de la batería (BMS) y del sistema de gestión energética (EMS), y la fuente de alimentación auxiliar. El diagrama siguiente muestra cómo se interrelacionan estas componentes.

Un único dispositivo de protección no aborda los cuatro. Un… SPD de Washington D.C. para BESS Protege el bus de la batería, pero no menciona nada sobre los terminales de CA, los enlaces RS‑485/CAN ni la alimentación auxiliar; cada uno se especifica por separado.

3. El conjunto de baterías y el bus de corriente continua

El lado de la batería es un circuito CC no fotovoltaico. Su tensión sigue el estado de carga — aumenta durante la carga y disminuye durante la descarga — y la fuente puede proporcionar una corriente de falla considerable. Por ello, el protector se selecciona en función de la tensión continua máxima permanente que alcanza efectivamente el bus (incluido el límite superior de carga), y no del valor nominal impreso en los módulos.

Dos aspectos adicionales distinguen al bus de baterías de otras aplicaciones de corriente continua. En primer lugar, la energía puede circular en ambos sentidos a través del PCS, por lo que el protector debe soportar las condiciones de operación tanto en carga como en descarga. En segundo lugar, la conexión se realiza entre los conductores del bus y tierra según un esquema que se ajuste al diseño de puesta a tierra del sitio; este punto debe verificarse en el diagrama unifilar y no asumirse.

Para este circuito, la referencia aplicable es la IEC 61643‑41, que abarca los dispositivos de protección contra sobretensiones conectados a sistemas de alimentación de corriente continua de baja tensión de hasta 1500 V CC. Se trata de la referencia para corriente continua en aplicaciones no fotovoltaicas y constituye la norma contra la cual suele evaluarse un protector de bus de baterías.

La consecuencia práctica es que dos instalaciones con la misma tensión nominal de la batería pueden requerir protectores distintos si sus modos de puesta a tierra o los niveles de corriente de falla difieren. Por esta razón, un protector contra sobretensiones para sistemas de almacenamiento de energía por baterías no se selecciona únicamente en función de la etiqueta de tensión nominal; el límite de carga, la polaridad de puesta a tierra y la corriente de cortocircuito prevista se verifican individualmente en la documentación del proyecto antes de proponer un modelo.

4. El lado de corriente alterna del PCS

El PCS conecta el bus de corriente continua a la red eléctrica o a una carga local, y su lado de corriente alterna está expuesto a los mismos transitorios de conmutación y atmosféricos que cualquier convertidor de potencia conectado a la red. Un SPD de alimentación de CA se selecciona aquí en función del voltaje de alimentación de CA y del esquema de puesta a tierra del sistema, y suele instalarse en la entrada de CA o en los terminales del convertidor. El lado de CA constituye un circuito independiente del bus de CC y se especifica por separado, siguiendo IEC 61643-11 .

Dado que un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) puede tanto importar como exportar energía, el dispositivo de protección del lado de corriente alterna se selecciona para un funcionamiento bidireccional normal; esta es una aplicación habitual en corriente alterna y no modifica la selección fundamental, pero el punto de suministro y cualquier disposición de transformadores deben tenerse en cuenta al elegir el tipo de protección y la clasificación de descarga.

5. Comunicación BMS / EMS

El sistema de gestión de baterías (BMS) y el sistema de gestión de la energía (EMS) dependen de enlaces de datos de baja tensión —normalmente RS‑485, CAN o Ethernet— que se extienden entre bastidores, armarios y la sala de control. Estas líneas son sensibles, y una sobretensión acoplada a un cable de comunicación puede dañar los equipos electrónicos de control incluso cuando los circuitos de alimentación no se ven afectados.

Un SPD de señal/datos se selecciona según la interfaz y la tensión de línea, y suele instalarse en todos los puntos donde un cable de comunicación exterior entra en un recinto. Los protectores para redes de telecomunicaciones y señalización se abordan mediante IEC 61643-21 , incluyendo líneas que transportan energía, como la alimentación por Ethernet. Al igual que ocurre con la tasa de datos, el voltaje de línea soportado por un modelo determinado debe consultarse en su hoja de datos, y no inferirse a partir del tipo de conector.

Las instalaciones de comunicación en exteriores también requieren considerar el apantallamiento: la pantalla del cable debe conectarse a la toma de tierra en el punto donde entra en el recinto, y el dispositivo de protección debe ubicarse lo más próximo posible a ese punto de entrada. Cuando un enlace de datos utiliza un conector sin pantalla, el terminal de tierra del dispositivo de protección se convierte en la ruta principal para derivar las sobretensiones transitorias; por ello, la longitud y el trazado de su conductor revisten especial importancia.

6. Energía auxiliar

El suministro auxiliar —las pequeñas alimentaciones de CA o CC que energizan el BMS, los sensores, los ventiladores y los circuitos de seguridad— suele pasarse por alto, pero forma parte del mismo armario. Una alimentación auxiliar que entra desde el exterior, o que comparte un punto de distribución con la electrónica de control, debe protegerse como cualquier otra línea de alimentación entrante. El dispositivo se selecciona de acuerdo con la tensión auxiliar y su fuente, que a menudo difiere del bus de CC principal.

7. SPD de CC para BESS frente a SPD de PV: no son intercambiables

Una pregunta recurrente es si un protector contra sobretensiones para instalaciones fotovoltaicas puede reutilizarse en un bus de baterías, dado que ambos operan en corriente continua. Los dos circuitos son, en realidad, muy diferentes. Una cadena fotovoltaica es un generador limitado en corriente, con un flujo de potencia unidireccional y un comportamiento ante fallas específico de los sistemas fotovoltaicos; en cambio, un bus de baterías es una fuente bidireccional de baja impedancia, con características de falla distintas. Las normas reflejan explícitamente esta distinción.

• La IEC 61643‑31 abarca los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) destinados al lado de corriente continua de los generadores fotovoltaicos y de los inversores; la propia norma establece que los SPD para sistemas fotovoltaicos con almacenamiento de energía (por ejemplo, baterías) son no cubierto .
• La IEC 61643‑41 abarca los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) para sistemas de alimentación de baja tensión en corriente continua en general y constituye la referencia para un bus de CC no fotovoltaico, como una cadena de baterías.

En otras palabras, un/a protector contra sobretensiones para almacenamiento de energía en baterías en el bus de CC se selecciona conforme a la IEC 61643‑41, mientras que un dispositivo del lado fotovoltaico se selecciona conforme a IEC 61643-31 . No se recomienda considerarlos como intercambiables y no debe hacerse sin una revisión técnica que evalúe la tensión del circuito, la corriente de falla y la puesta a tierra.

La superposición práctica se limita al hecho de que ambos son corriente continua. A PV SPD Está optimizado para una cadena limitada en corriente con un comportamiento ante fallas desde el lado del generador, mientras que se espera que un SPD de bus de batería opere con una fuente de baja impedancia y bidireccional. Instalar uno en el circuito del otro puede introducir valores de tensión y clasificaciones de falla incorrectos en servicio; por ello, ambos se mantienen separados en los documentos de especificación.

8. Tabla de riesgos de CA / CC / Señal

Las posiciones anteriores son representativas; el producto aplicable para un sitio determinado es confirmado por un ingeniero con base en la hoja de datos y el diagrama unifilar.

9. Puesta a tierra y puesta a tierra de equipos

Todo dispositivo de protección en un sistema BESS depende de una referencia a tierra de baja impedancia. La toma de tierra del bus de la batería, la del PCS, la del sistema de corriente alterna, los apantallamientos de los cables de comunicación y el bastidor de la carcasa suelen estar conectados a un único punto común, de acuerdo con el diseño de puesta a tierra del emplazamiento. Las derivaciones de tierra largas o de sección reducida deterioran el rendimiento de los dispositivos de protección; por ello, el trazado y la sección de los conductores forman parte del proceso de selección y no deben considerarse como una mera idea posterior. Cuando el emplazamiento emplea un esquema de puesta a tierra aislada o de alta resistencia, es preciso verificar que el modo de conexión de los dispositivos de protección de corriente continua y de señal sea compatible con dicho esquema. En los sistemas contenerizados, también conviene comprobar durante la instalación la conexión entre la cubierta del contenedor, las barras colectoras internas y el electrodo de tierra externo, puesto que una mala conexión de la carcasa puede dejar sin una referencia fiable a los dispositivos de protección internos.

10. Cómo especificar para un sitio de BESS

Una consulta suele poder asociarse con modelos adecuados cuando indica:

• La tensión continua realmente presente en el bus de la batería, incluido el límite de carga y la polaridad de puesta a tierra.
• La topología del PCS: rango de corriente continua, tensión de corriente alterna y la presencia o ausencia de un transformador.
• Las interfaces de comunicación en uso (RS‑485, CAN, Ethernet y cualquier cableado exterior).
• La tensión y la fuente de alimentación auxiliares.
• La disposición del emplazamiento y la configuración de puesta a tierra existente.

11. Preguntas frecuentes

¿Puede reutilizarse un SPD para fotovoltaica en el bus de baterías de un sistema de almacenamiento de energía?

En general, no. Los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) para fotovoltaica están diseñados específicamente para el lado de corriente continua de los generadores fotovoltaicos y los inversores, según la norma IEC 61643‑31, que excluye explícitamente los sistemas de almacenamiento. El bus de baterías se selecciona conforme a la norma IEC 61643‑41, y su reutilización sin una revisión técnica que aborde los niveles de tensión, las corrientes de falla y la puesta a tierra no está recomendada.

¿Qué norma se aplica a un SPD de corriente continua para sistemas de almacenamiento de energía?

El lado de corriente continua de un sistema de almacenamiento de energía por baterías es un circuito de CC no fotovoltaico; por ello, el dispositivo de protección suele evaluarse conforme a la norma IEC 61643‑41 — dispositivos de protección contra sobretensiones conectados a sistemas de alimentación de baja tensión en corriente continua de hasta 1500 V CC.

¿Es suficiente un solo protector de corriente continua para todo el sistema?

Normalmente, no. El lado de corriente alterna del PCS, los enlaces de datos del BMS/EMS y la alimentación auxiliar son circuitos independientes, cada uno protegido por su propio dispositivo de protección. Un SPD de corriente continua en el bus de baterías no sustituye la protección de corriente alterna ni la protección de señales.

¿Por qué importa el límite de carga para la selección?

El voltaje del bus de la batería aumenta durante la carga; por ello, un protector seleccionado únicamente para el voltaje nominal podría quedar subdimensionado en el límite superior de carga. El voltaje máximo de operación continua del dispositivo debe ser superior al valor más alto del voltaje continuo de corriente continua del bus.

¿Dónde deben colocarse los SPD de señal en un BESS?

Los protectores de señal/datos se instalan normalmente en todos los puntos donde un cable de comunicación exterior entra en una caja de distribución, así como en los puertos de los equipos cuando el manual técnico lo indica. El modelo depende del tipo de interfaz y de la tensión de línea.

¿Qué información se necesita para confirmar un modelo?

El voltaje del bus de corriente continua, incluyendo el límite de carga y la polaridad de puesta a tierra, la topología del sistema de conversión de potencia (PCS), las interfaces de comunicación y la disposición del sitio. Con estos elementos, un ingeniero puede evaluar la adecuación del producto en función de la hoja de datos y del diagrama unifilar.