Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Daniel Montesinos i Miracle, Director Técnico, TEKNOCEA, Jefe Área Électrónica de Potencia, CITCEA-UPC (Universidad Politécnica de Cataluña)
- Marc Pagès Giménez, Jefe de Proyectos, CITCEA-UPC (Universidad Politécnica de Cataluña)
- Daniel Heredero, Jefe de Proyectos, CITCEA-UPC (Universidad Politécnica de Cataluña)
- Macià Capó, Ingeniero de Proyectos, CITCEA-UPC (Universidad Politécnica de Cataluña)
- Tomàs Lledó Ponsati, Jefe de Proyectos, TEKNOCEA
Resumen
El proceso de implantación de microredes requiere soluciones técnicas relacionadas con distintas temáticas, tales como la electrónica de potencia, las comunicaciones industriales, dispositivos de protección, gestión de la energía, gestión de la demanda, algoritmos de control, estabilidad de la red, entre otros. A pesar de la investigación llevada a cabo en dichas temáticas, existen todavía innumerables líneas de investigación al respecto. La microred experimental es la herramienta principal para todos aquellos centros que desarrollan este tipo de actividades. Este texto presenta un proyecto actualmente vivo de creación de una plataforma de emulación universal para microredes. Mediante esta plataforma se pueden emular baterías, generadores fotovoltaicos, micro-turbinas eólicas, generadores síncronos, redes trifásicas y monofásicas e incluso cargas locales monofásicas y trifásicas. Dada la infinidad de escenarios posibles en una microred y la dependencia de la meteorología de algunas de las variables implicadas, la posibilidad de usar la emulación de las fuentes distribuidas permite reducir el tiempo de desarrollo de cualquier sistema implicado en una microred.
Introducción
En los últimos años, la generación a partir de fuentes renovables ha sido objeto de una revolución tecnológica. Dicha revolución ha provocado a la vez una actividad frenética en los sectores industrial e intelectual. Toda esta actividad ha conllevado una penetración constantemente creciente en el mix energético global [1], [2]. Los motivos de este auge son diversos.
Desde el punto de vista de la generación tradicional, tenemos el veto social y ambiental a la energía nuclear, por un lado, y por el otro, se observa cómo la generación mediante combustibles fósiles topa con la problemática del agotamiento de recursos y de las presiones políticas derivadas del protocolo de Kioto.
Desde el punto de vista de la demanda eléctrica, y también relacionado con el medio ambiente, el vehículo eléctrico es un vector potencial de crecimiento en los próximos años. En algunos estudios, el vehículo eléctrico es visto como un dispositivo de almacenamiento que permitirá en el futuro regular el sistema eléctrico.
En cuanto a la generación distribuida, se ha finalizado una etapa de financiación pública de la generación renovable, proceso del cual se recogen ahora los frutos, con una disminución radical del precio de algunas tecnologías, como es el caso de la fotovoltaica.
En consecuencia, ante un horizonte de encarecimiento de las fuentes tradicionales, crecimiento de la demanda y disminución del precio de la generación renovable distribuida, parece sensato pensar que sea cada vez más común que los consumidores de energía opten por tener generación propia para su abastecimiento parcial.
Entre los avances llevados a cabo, conviene destacar el esfuerzo realizado en innovación en tecnologías de generación, alcanzando eficiencias cada vez más elevadas y rebajando el coste de las instalaciones generadoras. Otra gran labor es la que hace referencia a la estabilidad del sistema energético en lo que se conoce como integración a red de fuentes renovables.
Es conocido que muchos de los sistemas actuales de generación inyectan la potencia al sistema como fuentes de corriente y a menudo generan inestabilidad en la red, desconectándose ante situaciones críticas que precisamente requieren de un soporte. En este sentido han aparecido procedimientos de operación en los códigos locales de obligado cumplimiento en plantas de generación de potencia relativamente pequeña.
El concepto de microred, en este contexto, ha pasado de asociarse a sistemas instalados en zonas no electrificadas trabajando en isla a ser concebidos como el principal instrumento de integración de fuentes de generación distribuido y almacenamiento al sistema público.
Según algunas definiciones [3], para el sistema público una microred no debe ser más que una carga agregada que se gestiona como un todo y es capaz de detectar inestabilidades en la red para desconectarse y pasar a autoabastecer sus consumos locales, formando una isla o bien dar soporte a la misma en función de la estrategia definida. Esta flexibilidad es posible gracias a la entrada en escena de la electrónica de potencia.
En los últimos años se han divulgado multitud de resultados referentes a microredes experimentales [4]. Si bien a nivel comercial las microredes no tienen todavía un mercado maduro en comparación al suministro tradicional, en la industria de la electrónica es actualmente un tema de interés, del cual se llevan a cabo numerosas líneas de investigación.
Teniendo en cuenta el carácter mayoritariamente experimental de las microredes entendidas según lo expuesto anteriormente, se hace imprescindible disponer de mecanismos de verificación de los algoritmos y dispositivos que forman el conjunto ante distintos escenarios, existiendo una heurística infinita. A ello hay que sumarle el agravante de la dependencia de algunos de estos parámetros con agentes que se escapan al control de los ingenieros que desarrollan dichos sistemas. Algunos de estos parámetros pueden ser la velocidad del viento, la irradiancia solar, la formas de onda de la red pública, etc.
En este contexto nace la necesidad de un dispositivo que sustituya la fuente de generación, almacenamiento, red, etc y que imite su respuesta eléctrica mediante un convertidor electrónico. Mediante estos sistemas se puede ensayar la microred a todos los niveles sin necesidad de esperar a que se den las condiciones meteorológicas, la forma de onda de la red, la evolución de las variables internas, etc.
En la actualidad se pueden encontrar numerosas fuentes de alimentación programables comerciales. En algunos casos las fuentes programables se acompañan de un software que les confiere la posibilidad copiar la respuesta de alguna fuente distribuida en continua, de un generador síncrono, de la red, etc. En la mayoría de casos, dichas fuentes son unidireccionales. En el caso del emulador de redes esto impide la posibilidad de la inyección a red. En otros casos, como el caso de las baterías, la bidireccionalidad es obligada. Así mismo, se ha visto que en general los fabricantes disponen de multitud de referencias de distintos productos, cada pensada para una aplicación distinta.
Propuesta
La plataforma que se presenta en este texto consiste en un emulador universal para microredes. La principal aportación de este dispositivo es el hecho de estar pensado para la emulación de todo tipo de fuentes distribuidas en una microred sin necesidad de realizar modificaciones en el hardware, y la posibilidad de ser controlados externamente para modificar tanto parámetros de las fuentes como variables que modifican su respuesta eléctrica.
En la Figura 1 se presenta un ejemplo de microred basado en esta plataforma, encontraríamos 5 dispositivos de emulación para la red, fotovoltaica, grupo diesel, baterías y cargas locales. Cada plataforma debe recibir los parámetros que definen el funcionamiento de la fuente durante su configuración y las variables que afectan al mismo durante la operación.
En la Figura 1 se pueden observar dispositivos que funcionan en corriente continua y corriente al terna, como fuente de tensión y como fuente de corriente a la vez que algunos de ellos son bidireccionales mientras otros se usan solo en uno o dos cuadrantes.
El emulador universal se define a cuatro niveles que deben ser implementados para la culminación del proyecto. Cada nivel, utiliza los niveles inferiores al propio para ejecutar sus funciones. La Figura 2 muestra la estructura de los distintos niveles.
El nivel físico comprende todo el hardware necesario para llevar a cabo la emulación de distintas fuentes. Se trata, entonces de la electrónica de potencia, circuitos auxiliares de disparo de los transistores de potencia, sistema de medida de magnitudes eléctricas y sistema de control. El nivel de control implementa la máquina de estados, gestión de las protecciones y maniobra, el algoritmo de sincronización con la red, el tratamiento digital de las medidas y todos los lazos de control de las magnitudes eléctricas del emulador.
En el nivel de emulación se encuentran los modelos de las fuentes de distribución. Los per files de las fuentes culminan su función con la generación de consignas eléctricas al emulador. Finalmente, el nivel de usuario se encarga de la interacción del emulador con el usuario, en este caso, el operador de la microred experimental.
Nivel físico
La Figura 3 muestra un esquema conceptual de la celda de potencia qe permite la emulación de fuentes DC, AC monofásicas y AC trifásicas.
El convertidor se alimenta con una red trifásica de 400 V – 50 Hz y tres hilos. Cuenta con un transformador de aislamiento en la entrada que garantiza que no haya referencias eléctricas entre la salida y la red de alimentación. A continuación se añade una etapa rectificadora/inversora que alimenta el bus de continua y lo mantiene a tensión nominal. Esta etapa trabaja de forma equilibrada, de forma que la red de alimentación ve un consumo/inyección equilibrado, con factor de potencia unitario y con un contenido armónico por debajo del 5 % a régimen nominal. A continuación se conecta la etapa de salida, que mediante distintas configuraciones se puede controlar como una fuente de tensión o corriente bipolar (o monofásica), con un amplio espectro de funcionamiento, o bien como un sistema tetrapolar que le confiere la capacidad de emular desde una red de baja tensión bidireccional hasta cargas locales desequilibradas, no lineales y/o con consumo de reactiva. La fotografía de la Figura 4 muestra el aspecto del emulador.
Nivel de control
El nivel de control se encarga de ejecutar la máquina de estados que a la vez gestiona las protecciones y la aparamenta para la magnetización del transformador de entrada, precarga del bus y posterior enclavamiento con la red. Finalizada la precarga, el nivel de control queda a la espera de recibir la configuración de los contactores de configuración y salida, la orden de marcha, así como las consignas de tensión y/o corriente. Dicha información proviene del nivel de emulación. Ante las consignas recibidas por parte de los niveles superiores, el nivel de control ejecuta los lazos de control de todas las magnitudes eléctricas del convertidor. Entre las principales funciones se encuentran el algoritmo de sincronización con la red, el lazo de corriente del rectificador de entrada, el lazo de la tensión de bus, el lazo de la corriente de salida y el lazo de la tensión de salida.
Nivel emulación
El nivel de emulación implementa unos modelos predeterminados, correspondientes a cada una de los dispositivos a emular. El punto de partida son los parámetros del dispositivo a emular y las variables implicadas en la respuesta. Mediante la ejecución del modelo, se obtienen las consignas de tensión y/o corriente en cada instante.
El proceso que tiene lugar en este nivel parte de los parámetros característicos del recurso distribuido a emular. Mediante estos parámetros, que son estáticos durante la operación del emulador, se crea una tabla de valores que definen la respuesta característica (tensión y/o corriente de consigna), en función de las variables de entrada, básicamente variables meteorológicas, corriente/tensión de salida actual o variables internas iniciales. En este caso, las consignas se crean mediante la interpolación de valores.
En otros casos, es posible implementar las ecuaciones del modelo. En dichas ecuaciones también intervienen variables externas e internas de la fuente y evidentemente se utilizan los parámetros característicos de la fuente.
Nivel de usuario
El nivel de usuario se encarga de recibir los parámetros y variables introducidas por el usuario y traducir dichos valores para que el nivel de emulación pueda implementar el modelo. La tipología de este nivel puede variar significativamente en función de qué se está emulando. Este nivel comprende también un interface HMI para la configuración del equipo e introducción de parámetros, así como un sistema que permite hacer lo propio mediante comunicaciones.
Otra prestación importante del emulador es su capacidad para la generación de datos enertrónicos para el análisis de los resultados del sistema de gestión de la energía (EMS) de la microred objeto de ensayo.
La Figura 6 muestra los resultados de un escenario diario en un sistema como el de la Figura 1. En dicha figura, son los emuladores que, además de ser entradas programadas del sistema, se convierten en una fuente de información y soporte para el desarrollo del sistema.
Conclusiones
Las ventajas del emulador universal se pueden visualizar desde dos puntos de vista. Por un lado, el usuario dispone de un hardware de propósito general, que puede reprogramar para la emulación de distintos dispositivos. Desde el punto de vista del fabricante, es importante remarcar que un producto para centros de investigación no debe estar pensado para grandes series. En este sentido, se saca ventaja al disponer de una misma estructura física idéntica para diferentes encargos en lugar de un diseño a medida.
En el aspecto negativo, los niveles de compacidad de las fuentes comerciales no se pueden alcanzar mediante esta estructura, al disponer de unas mayores prestaciones en términos de funcionalidad.
Referencias
- [1] Gaëtan Masson et. al, Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018, European Photovoltaic Industry Association, Tech. Rep., 2014.
- [2] Global Wind Energy Council, Global wind 2013 report, Global Wind Energy Council, Tech. Rep., 2013. 4
- [3] S. Chowdhury et al, Microgrids and Active Distribution Networks, The Institution of Engineering and Technology, 2009.
- [4] Nikos Hatziargyriou et al, An Overview of Ongoing Research, Developement, and Demonstration Projects, IEEE power & energy magazine, 2007.