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Un SMES es un dispositivo DES (Almacenamiento de Energía Distribuida) el cual permanentemente almacena energía en un campo magnértico generado por el flujo de corriente DC en una bobina superconductora (SC). La bobina es criogénicamente enfriada a una temperatura más baja que su temperatura crítica y con ello muestra su propiedad superconductora. El principio básico de un SMES es que una vez que la SC es cargada, la corriente no decae y la energía magnética puede ser almacenada indefinidamente. Este almacenamiento de energía puede ser inyectada a la red eléctrica por simple descarga de la bobina. Un potencialmente opción de costo efectiva para sistemas SMES es usar un superconductor de alta temperatura (HTS: Ceramic oxide compoud) enfriado por nitrógeno líquido en vez de un usual superconductor de baja temperatura (LTS: Niobium-titanium alloy) enfriado por helio líquido.

La estructura básica de un dispositivo SMES se muestra en la figura a continuación.

SMES

La base de este dispositivo es un gran SC, cuya estructura básica está compuesto de los componentes de la bobina (el SC con su soporte y componentes de conexión, y el criostato) y el sistema de refrigeración criogénico.


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El sistemas SMES consta de una bobina que se encuentra en estado superconductor a temperatura criogénica. Esto significa que las pérdidas óhmicas durante la operación son muy bajas, cercanas a cero. Un sistema de almacenamiento de energía de este tipo puede cargarse y descargarse muy rápidamente o, dicho de otra manera, tiene la capacidad de absorber o emitir grandes cantidades de energía.

Otro aspecto positivo sobre SMES es el ciclo de vida. Una bobina de este tipo puede soportar decenas de miles de ciclos de carga. Esto corresponde a varias décadas de operación y, en comparación con los sistemas de almacenamiento con baterías, la vida útil es mucho más larga. Para alcanzar el estado superconductor la bobina tiene que ser enfriada a menos de 9.8K. Esto se logra usando helio líquido, que reduce la temperatura a 4.2K. La necesidad de refrigeración es un aspecto que reduce la eficiencia, pero la energía necesaria para la refrigeración es mucho menor que la potencia de salida del SMES. Combinado con las pérdidas óhmicas en los dispositivos no superconductores la eficiencia puede superar el 90%.

Al decidir la topología de convertidor a usar para conectar el SMES a la red, aspectos como la distorsión armónica, el uso de la energía reactiva y las pérdidas de conducción tienen que ser considerados. Un convertidor basado en tiristores tiene bajas pérdidas de conducción y puede manejar grandes cantidades de energía, pero presenta factor de potencia con atraso y armónicos elevados de bajo orden. Incluso la topología de doce pulsos tiene demasiada distorsión armónica total como para cumplir con los estándares sobre armónicos. Respecto a los convertidores auto-conmutados, a pesar de que las pérdidas de conducción son más altas que para los tiristores, estos tienen mejores características cuando se trata de armónicos y su flujo de potencia reactiva se puede controlar. Entre los convertidores auto-conmutados se encuentran principalmente dos topologías: convertidor en fuente de corriente (Current Source Converter, CSC) y convertidor en fuente de tensión (Voltage Source Converter, VSC). El CSC puede parecer la solución más adecuada ya que el SMES puede ser visto como una fuente de corriente. Este convertidor también ha demostrado ser el más adecuado para la entrega de potencia activa y reactiva rápidamente a la red. Un CSC es también más eficiente
cuando funciona en modo de onda cuadrada que un PWM VSI (Voltage Source Inverter). Por otro lado, un CSC es más complicado de controlar que un VSC, tiene un alto nivel de armónicos de orden inferior y la inductancia en el lado dc hace que la respuesta sea más lenta.