Comunicación presentada al III Congreso Smart Grids:
Autores
- David Miguel Rivas Ascaso, Técnico del Departamento de Integración en Red, CENER
- Miguel Ángel Sicilia López-Vailo, Técnico del Departamento de Integración en Red, CENER
- Mikel Santamaría Rubio, Técnico del Departamento de Integración en Red, CENER
- Mónica Aguado Alonso, Directora del Departamento de Integración en Red, CENER
- Isabel Carrilero Borbujo, Responsable de Smart Solutions, JOFEMAR
Resumen
El proyecto LIFE Factory Microgrid, cuyos socios son el Centro Nacional de Energías Renovables y la Corporación JOFEMAR, tiene como principal objetivo demostrar que las microrredes pueden convertirse en una de las soluciones para la generación y gestión energética en entornos industriales. En esta comunicación se describe la arquitectura de la microrred implementada y puesta en marcha en el marco del proyecto, los trabajos de integración de todos los equipos y hardware de control de la misma, la definición y elaboración de las rutinas de control, el desarrollo y estructura de los sistemas de monitorización y adquisición de las variables eléctricas de la microrred y el desarrollo y definición de las estrategias de gestión óptima de la energía que han sido implantadas en la microrred.
Palabras clave
Generación Distribuida, Almacenamiento, Microrredes, Control
Antecedentes
Factory Microgrid es un proyecto que se enmarca dentro del programa LIFE+ 2013 de la Comisión Europea y cuyo principal objetivo es demostrar, a través de la implantación de una microrred industrial inteligente a tamaño real, que las microrredes pueden convertirse en una de las soluciones más adecuadas para la generación y gestión energética de fábricas que quieren minimizar su impacto medioambiental. Los socios del proyecto son la Corporación Jofemar y el Centro Nacional de Energías renovables, CENER.
Para ello, los socios han diseñado e implantado una microrred en las instalaciones que la empresa Jofemar tiene en Peralta (Navarra). La microrred Factory Microgrid dará respuesta a las necesidades energéticas específicas de la planta de Jofemar en Peralta, de manera que pueda demostrarse la viabilidad, tanto técnica como económica, de este tipo de soluciones en entornos industriales. La smartgrid cuenta con un aerogenerador de 120 kW y con 40 kW de fotovoltaica en cubierta como fuentes de generación, y con baterías de flujo Zn-Br, plomo e Ión Litio con capacidad para almacenar hasta 500 kWh como sistemas de almacenamiento. La microrred integrará también seis puntos bidireccionales de recarga de vehículos eléctricos V2G y uno de recarga rápida de 50 kW, que surtirán a una flota de 6 vehículos eléctricos.
Descripción de la microrred
La microrred desarrollada consiste en una microrred mixta donde existen dos buses, uno en continua y otro en alterna.
La instalación está compuesta por cinco convertidores. Dos de ellos corresponden a los convertidores de los vehículos eléctricos, otros dos son los encargados de integrar los sistemas de almacenamiento y la instalación fotovoltaica, así como interconexión con la red eléctrica y la generación de la red de la propia microrred, por último el aerogenerador dispone de su propio convertidor de potencia.
A continuación se muestra un esquema básico que permitirá comprender el principio de funcionamiento de la instalación:
- Convertidor Lado de Red: Es el encargado de mantener la estabilidad del Bus DC cuando existe interconexión con la red pública a través de este convertidor. Existirá un trasiego de energía entre la microrred y la red pública para mantener la estabilidad del Bus. El vertido de energía no debe de exceder el 3% de la potencia contratada durante 2 segundos en el punto frontera. En caso de que se supere, provocará el disparo del relé antivertido.
- Este convertidor también dispone de cuatro canales DC/DC para la conexión de cuatro sistemas de almacenamiento: baterías de Plomo, Litio y dos de Flujo. Estos sistemas de almacenamiento, en el caso de que exista interconexión con la red pública, trabajarán bajo consignas de potencia. En el caso de que exista en falta en la red pública, los sistemas de almacenamiento conectados serán los encargados de mantener la estabilidad del Bus.
- Convertidor lado Microrred: Es el encargado de generar una red independiente que proporcionará las referencias de tensión y frecuencia para alimentar las cargas de la microrred (Bus AC). En este Bus (Línea Microrred) se conectarán las cargas, los cargadores de los vehículos eléctricos, el cargador de carga rápida y el aerogenerador. Dispone de un bypass, que es gestionado por el propio convertidor y que, en el caso de que exista un error en el mismo, conmuta y se conecta a la red pública. Estas transiciones también pueden ser gestionadas por el sistema gestor de la instalación. El sistema que realiza las transiciones es un relé de estado sólido, lo que permite llevar a cabo transiciones sin paso por cero, manteniendo en todo momento la alimentación de las cargas.
- Este convertidor también dispone de dos canales DC/DC para la conexión de dos sistemas de almacenamiento. En este caso se encuentran conectadas baterías de Flujo, que trabajarán bajo consignas de potencia. Tiene un tercer canal de DC, en el que se encuentra conectada la instalación fotovoltaica.
- Sistemas de generación renovable: Se disponen de un aerogenerador de 120 kW, tipo Full Converter y un campo fotovoltaico de 40 kW. Ambos sistemas de generación tienen la posibilidad de recibir consignas que permiten la reducción de potencia. Esta característica permite gestionar de una manera más eficiente la microrred.
- Convertidores V2G: Los convertidores V2G se conectarán en el lado del Bus AC de la microrred. Permitirán el trasiego de energía en ambos sentidos. Cada uno de ellos dispone de tres canales DC de 5 kW, en los que se conectarán los cargadores de los Vehículos eléctricos. A través de esta característica, los vehículos eléctricos podrán actuar como un sistema de almacenamiento más para la instalación, y trabajarán bajo las consignas de potencia del sistema gestor.
- Cargador de Carga Rápida: La microrred dispone de un cargador de carga rápida para vehículos eléctricos. La potencia máxima de carga será de 50 kW.
Con esta topología de funcionamiento mixta se evita el vertido no controlado de energía a la red. A su vez, las transiciones entre los diferentes modos de funcionamiento (modo conectado-modo aislado), variaciones de tensión, frecuencia, calidad de energía, etc., no afectarán al funcionamiento normal de la microrred.
Sistema SCADA
El sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) de Factory Microgrid ha sido íntegramente desarrollado en LabVIEW. A través de él se puede hacer la gestión de toda la instalación, ofreciéndole al operador información sobre el estado de la misma, así como permitiéndole controlar cualquiera de los equipos de los que se compone el sistema. Además, se encarga de llevar a cabo la monitorización en tiempo real de todas las variables de la instalación, conociéndose en cada instante la producción eólica y solar, el estado de carga de las baterías y vehículos eléctricos y la demanda energética de la planta, permitiéndole con estos datos al programa gestor la ejecución de una gestión integral de energía de la planta.
Las acciones de control más críticas son llevadas a cabo automáticamente por los controladores primarios integrados en cada uno de los equipos. El control de un nivel inmediatamente superior y las acciones a llevar a cabo para garantizar la estabilidad y la seguridad de la planta son llevados a cabo por el PLC de la instalación. Finalmente, las órdenes de arranque/paro y de introducción de consignas son introducidas a través del SCADA. A su vez el sistema inteligente de gestión de la energía puede introducir las consignas pertinentes interactuando con el SCADA.
Las tareas del sistema SCADA están centralizadas en un servidor que es el responsable de llevar a cabo la adquisición de datos, gestionar alarmas y almacenar los datos en la base de datos. A su vez, proporciona métodos de publicación de variables para posibilitar el acceso de los diferentes clientes SCADA. En la Figura 2 se puede observar el esquema de comunicaciones desarrollado, en el cual se muestran los diferentes protocolos de comunicación empleados entre los diferentes elementos. Se disponen de clientes SCADA tanto locales como remotos. A través de la interfaz de usuario que estos facilitan es posible acceder a la monitorización en tiempo real de la planta, introducir consignas a los diferentes elementos y consultar históricos de datos y alarmas. Así mismo resaltar la tarea de adecuación gráfica y de personalización de controles e indicadores con el objetivo de adecuar la interfaz gráfica del SCADA a la línea gráfica del proyecto, creando un entorno gráfico totalmente personalizado. A continuación se muestra la pantalla principal del cliente SCADA.
Además, se han desarrollado pantallas dedicadas para cada uno de los equipos de la microrred, así como pantallas para el graficado personalizado de históricos de datos, estado de las comunicaciones y estado general de la instalación con acceso al histórico de eventos y alarmas. También es posible la extracción de informes automatizados que muestran la energía demandada, generada y consumida por la microrred incluyendo histogramas y gráficos para una fácil interpretación de los datos. En dichos informes también se plasman indicadores clave calculados con el objetivo de evaluar el rendimiento de la instalación.
El sistema SCADA está dotado de varios niveles de acceso, restringiendo así las tareas que pueden llevarse a cabo por los diferentes usuarios de la planta. Existen dos niveles de acceso, nivel operador y nivel de usuario básico. Únicamente es posible que un único usuario de nivel operador se encuentre registrado en el sistema, garantizando de esta manera que las acciones de control sean llevadas a cabo por un usuario de manera unívoca.
En la implementación de la base de datos se han tenido en cuenta factores como el dead band y la resolución de las variables con el objetivo de implementar una base de datos lo más eficiente posible, aplicando de esta forma algoritmos de compresión.
Estrategias de gestión
La estrategia de gestión de la microrred se basa en el funcionamiento independiente pero coordinado de diferentes módulos integrados en un sistema gestor inteligente de la energía. La siguiente figura muestra una imagen global de cómo se estructura la estrategia y de las relaciones entre módulos independientes.
El módulo de predicción renovable es el encargado de proporcionar la información acerca de la producción renovable estimada tanto para la energía eólica como solar en el emplazamiento donde se sitúa la microrred FACTORY. Esta información se obtiene a partir del modelo SKIRON de CENER y proporciona una cantidad de variables meteorológicas de las cuales nuestro modelo utiliza tan sólo tres de ellas: velocidad de viento a 10 metros de altura, irradiancia global sobre superficie horizontal y temperatura ambiente.
Estos valores serán tratados internamente en el módulo de predicción desarrollado para junto con los datos del emplazamiento derivar la siguiente información que es necesaria para el cálculo de la generación renovable: velocidad de viento a la altura del buje del aerogenerador e irradiancia global sobre la superficie inclinada de la instalación fotovoltaica.
El módulo de seguimiento de los vehículos eléctricos es el encargado de acceder a los vehículos eléctricos cuando estos se encuentran en ruta de manera que se pueda predecir el estado de los mismos cuando se reincorporen a la microrred y puedan ser tenidos en cuenta como un elemento gestionable más dentro de la estrategia de la microrred. El acceso a la información de los vehículos será mediante un cliente SOAP que conectará con el Web Service del servidor (de una tercera parte) que almacena la información que los vehículos eléctricos le proporcionan a través de GPRS.
El módulo de gestión óptima incorpora modelos de los vehículos eléctricos para conocer cómo será la evolución de los parámetros internos de las baterías (SOC, estado de carga) cuando se integren en la microrred. Cada minuto el módulo de seguimiento de los vehículos eléctricos actualizará la información. La información que extraeremos de los vehículos eléctricos será la siguiente: latitud, longitud, altitud, nombre del punto de geolocalización más cercano, velocidad, estado de carga de la batería, estado del motor y estado del vehículo.
El módulo de gestión óptima utiliza como entrada la predicción renovable, la información y estatus de la flota de vehículos eléctricos, la estructura tarifaria eléctrica de la microrred, la composición del mix energético de la energía proveniente de la red externa (necesaria para el cálculo de reducción de emisiones), la estimación de los consumos no gestionables de la microrred y todos los datos relevantes de la microrred (flujos de potencia y estados de carga de las baterías) que son proporcionadas por el Servidor OPC de la microrred incluido en el SCADA. Este módulo genera un despacho óptimo para todos los equipos de la microrred durante el siguiente periodo de 24 horas. Cada hora, el módulo recaba información actualizada y ejecuta de nuevo el cálculo. Esta optimalidad puede entenderse desde diferentes puntos de vista: económica, medioambiental o mixta.
El módulo de corrección de desviaciones utiliza como entrada de información los datos de la microrred proporcionados por el servidor OPC y las consignas para la hora actual calculadas por el módulo de gestión óptima. El objetivo de este módulo es comprobar si existe alguna desviación, frente a lo estimado y predicho, en la demanda de energía y la generación renovable, y en caso de que así sea actuar convenientemente. El módulo actualizará las consignas de una manera óptima de acuerdo al criterio establecido en el módulo de gestión óptima.
Por último, el módulo de estabilización usa como entrada la información proporcionada por el servidor OPC junto con las consignas corregidas según el módulo de corrección y vigila la estabilidad de la microrred. El objetivo primordial de este módulo es que ninguna de las consignas que se envíen a los equipos pueda poner en riesgo la estabilidad del sistema, ya sea por someter a un equipo a valores cercanos a sus límites de operación o debido a situaciones que puedan comprometer la estabilidad de los niveles de tensión del bus de continua o de la frecuencia y tensión del bus de alterna del sistema. En caso de que así sea, se ejecutarán una serie de medidas encaminadas a resolver la situación y eliminar el riesgo potencial existente.
Conclusiones
En este artículo se ha presentado algunos de los aspectos claves de la microrred desarrollada bajo el amparo del proyecto LIFE Factory Microgrid.
Con la arquitectura de microrred propuesta, los consumos eléctricos pertenecientes a la misma no se verán afectados por el cambio de modo aislado a conectado o viceversa ni por posibles problemas en la interconexión con la red pública.
En relación a las comunicaciones entre equipos, éstas se simplifican notablemente, evitándose errores, retrasos y problemas de funcionamiento. La arquitectura de comunicaciones, monitorización y adquisición de datos ha demostrado ser una solución robusta y eficiente. La solución basada en la arquitectura OPC permite la escalabilidad del sistema y el acceso a los datos de los equipos de manera transparente y sencilla.
La estrategia de gestión implementada, merced al uso de las predicciones de consumos eléctricos y de generación renovable, propone una operación de la planta predictiva de modo que se genera una planificación del funcionamiento de los elementos que componen la microrred no sólo para el instante actual sino para una ventana temporal que abarca las 24 horas siguientes. Esto nos permite que la estrategia de gestión tome las mejores decisiones teniendo en cuenta la evolución de los consumos eléctricos y la generación de origen renovable, y así de esta manera, lograr un funcionamiento óptimo no sólo para un instante puntual, sino de cara a las potenciales situaciones que pueden tener lugar en el futuro.
Agradecimientos
Agradecer al programa LIFE+2013 de la Comisión Europea la concesión del proyecto LIFE13 ENV/ES/000700 Factory Microgrid y al Departamento de Desarrollo Económico del Gobierno de Navarra por su financiación y ayuda para el desarrollo y puesta en marcha de esta microrred.