Comunicación presentada al II Congreso Smart Grids:
Autores
- Sindia Casado Casado, Departamento de Integración en Red, Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)
- Mikel Santamaría Rubio, Departamento de Integración en Red, Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)
- Mónica Aguado Alonso, Departamento de Integración en Red, Centro Nacional de Energías Renovables (CENER)
Resumen
De la experiencia adquirida en la operación y gestión de la microrred de CENER, se detectó la necesidad de disponer de una herramienta que permitiera simular y validar las estrategias implementadas en estas instalaciones. Para ello, se ha desarrollado una aplicación para la gestión de microrredes denominada CeMOS (CENER Managenement Optimization Software). CeMOS es un software que permite simular de forma acelerada el comportamiento de una microrred, tanto en modo conectado o aislado. Así, se puede validar las estrategias de gestión introducidas en la simulación y en su caso optimizar tanto el diseño de la instalación como el sistema de control implementado.
Antecedentes y justificación
La generación distribuida es uno de los caminos a seguir para el desarrollo de las energías renovables. Actualmente, las microrredes eléctricas y térmicas están siendo ampliamente investigadas y se están empezando a implementar. Por ello, si este tipo de instalaciones son diseñadas de manera correcta y se acompañan con una gestión inteligente de las mismas, podrían ser la solución a los múltiples problemas que plantea la red eléctrica hoy en día: pérdidas eléctricas en la red de energía, calidad de energía, suministro de energía en zonas remotas, etc.
Debido a esta tendencia, CENER cuenta en sus instalaciones en Sangüesa (Navarra) con la microrred ATENEA. Los objetivos principales que se persiguen con esta planta son, por una parte, demostrar la viabilidad de este tipo de instalaciones mediante el suministro de energía eléctrica a cargas reales (iluminación de las oficinas del LEA, Laboratorio de Ensayo de Aerogeneradores de CENER, y el alumbrado del polígono donde se encuentra instalada). Además, tiene el objetivo de servir de plataforma de ensayos para equipos de generación, almacenamiento, electrónica de potencia, sistemas de control, comunicaciones y protección de microrredes. Por otra parte, se ha desarrollado una plataforma de simulación en el que todos los componentes pertenecientes a la microrred han sido modelados a través del software Matlab-Simulink.
El propósito de este trabajo reside en la presentación de la aplicación CeMOS (CENER Managenement Optimization Software) desarrollada por CENER. Se trata de un software de gestión y optimización de microrredes capaz de simular de manera acelerada el comportamiento de las diferentes configuraciones de microrredes objeto de estudio.
Plataforma de simulación
CENER ha desarrollado una plataforma de simulación en el que todos los componentes pertenecientes a la microrred ATENEA han sido modelados a través del software Matlab-Simulink.
Los modelos de los equipos que componen la plataforma están validados experimentalmente en la instalación de la microrred ATENEA y son lo suficientemente generalistas para poder ser parametrizables con las características de otros equipos.
Esta plataforma consta de modelos pertenecientes a sistemas de generación renovable (Sistema fotovoltaico y aerogenerador), de tipo convencional (microturbina y generador diésel), y diferentes tecnologías de almacenamiento (Batería de flujo, Baterías de Pb-ácido y Baterías de Ion-Litio). A partir de estos modelos se podrá validar la gestión del sistema configurado de acuerdo al estudio que se desee realizar. Por otra parte, se podrán analizar diferentes estrategias de gestión de la energía y ver el comportamiento de los sistemas prediciendo así las respuestas de los equipos ante diferentes eventos.
CEMOS: Software de gestión y optimización de microrredes
Datos de entrada y resultados
Algunos de los datos de entrada necesarios se enumeran a continuación:
- Información relativa a los sistemas de generación y almacenamiento.
- Perfiles de consumo.
- Recurso renovable (radiación y velocidad de viento).
- Desglose tarifario.
- Período de cálculo-simulación.
- Etc.
La información que se obtiene una vez ejecutado el programa:
- Consumo energético de la red por períodos, costes y ahorros económicos.
- Desglose de potencia y energía de cada uno de los equipos.
- Estado de carga de los sistemas de almacenamiento.
- Perfil medio de potencia por meses de cada uno de los equipos.
Configuración caso de simulación
Instalación y equipos
El usuario podrá configurar la instalación de la microrred eligiendo entre varios equipos. Las diferentes opciones de almacenamiento, generación y cargas han sido modeladas en la plataforma de simulación mencionada con anterioridad.
Con ayuda de esta herramienta es posible configurar de forma independiente las características de cada uno de los componentes que formen parte de la instalación a simular. A modo de ejemplo, el usuario se puede encontrar con la pantalla perteneciente al sistema fotovoltaico. En ella se podrán configurar los datos: recurso renovable (radiación), temperatura, potencia, número de módulos en paralelo y coste de la instalación.
Límites, versiones y modos de operación
La aplicación CeMOS permite configurar los parámetros pertenecientes a las estrategias de control implementadas. Estas estrategias están validadas experimentalmente o pueden validarse dentro de la microrred ATENEA. Por un lado, con ayuda de esta herramienta el usuario podrá definir los límites de funcionamiento de los sistemas de almacenamiento (Batería de flujo, banco de baterías Pb-ácido y batería de Ion-Litio). Los límites de operación se encuentran referidos al estado de carga de cada sistema de almacenamiento elegido para realizar así una gestión óptima de la energía en cada momento.
Por otro lado, CeMOS facilita al usuario seleccionar el modo de funcionamiento en el que va a trabajar la microrred. Los dos modos de funcionamiento posibles son modo conectado a la red eléctrica o aislado de la misma.
En último lugar, el usuario podrá elegir la versión de control que se va a utilizar. Existen dos versiones implementadas actualmente en la plataforma. Como se ha comentado con anterioridad, existe la posibilidad de introducir nuevas estrategias para simular el comportamiento de los equipos. Por un lado, la versión 0 sitúa al banco de baterías de Pb-ácido como maestro si la instalación trabaja de manera aislada a la red, es decir, proporcionará las referencias de tensión y frecuencia. En el caso de que trabaje de manera conectada, el banco de baterías se cargará o descargará en función de la estrategia de gestión implementada para ese modo de funcionamiento. Por otro lado, la versión 1 establece las mismas ideas pero en este caso con la batería de flujo.
Régimen tarifario y periodo de simulación
El usuario podrá introducir el coste energético del kWh contratado por la compañía distribuidora de energía eléctrica, cuando las simulaciones se realicen suponiendo que la conexión de la microrred configurada sea conectada a la red.
La herramienta desarrollada CeMOS, permite introducir el período de simulación que desee el usuario en cada momento. Para ello, existe la posibilidad de definir la fecha de inicio y la fecha final de simulación, indicando en cada una de ellas el día y el mes. De esta manera, una vez definido el intervalo de tiempo deseado se puede observar el tiempo total que durará la simulación. Además, el usuario podrá iniciar, pausar, parar y continuar la simulación a través del interfaz gráfico que ofrece la aplicación. Una vez finalizada la simulación, CeMOS facilita al usuario resultados energéticos y económicos.
Resultados
Finalmente, el software CeMOS facilita al usuario los resultados pertenecientes a la simulación mediante diferentes gráficos. Por un lado, están los resultados energéticos que muestran las gráficas de los valores característicos de cada uno de los sistemas previamente elegidos (Potencia, estados de carga…). Por otro lado, están los resultados económicos que muestran las tablas y valores del análisis económico de la instalación (ahorro energético y económico, coste de funcionamiento, etc.).
Caso de simulación
Se detalla un caso de simulación basado en el estudio de una microrred cuyas características se enumeran a continuación. La simulación se lleva a cabo considerando que la microrred está basada:
- Generación: Sistema fotovoltaico 25 kWp.
- Almacenamiento: Baterías Pb-ácido 50 kW 2 horas.
- Cargas: Perfil de consumo Laboratorio de ensayos de aerogeneradores y edificio microrred (luces, ordenadores, etc.).
El tiempo de simulación se establece en tres días, por lo que se introduce un perfil de radiación y temperatura de acuerdo a lo planteado correspondientes a un registro del 1 al 3 enero de 2014.
Se considera que la microrred se encuentra conectada a red y la versión de control es la cero. La estrategia que se sigue en este caso es abastecer con la generación renovable la demanda en todo momento y cargar las baterías cuando existe un exceso de generación y descargarlas cuando la generación no sea suficiente para alimentar los consumos. El objetivo fundamental es minimizar todo lo posible el consumo de energía de la red eléctrica y hacer que la microrred alimente las cargas por sí sola. Por ello, previamente a la simulación y como se ha detallado con anterioridad, se establecen unos límites de funcionamiento para el sistema de almacenamiento que indican el límite máximo al que puede cargarse (en este caso 98 %) y límite mínimo hasta donde se puede descargar (para este ejemplo 60 %). Los resultados que se obtienen tras realizar la simulación son los que presentan a continuación. Por una parte, los datos energéticos muestran el perfil de generación, almacenamiento y cargas para el período de simulación considerado. Por una parte, el modelo del sistema fotovoltaico facilita el perfil de generación de esta fuente renovable como se muestra en las siguientes figuras. Se observa la potencia del sistema a lo largo del período de simulación por una parte, y CeMOs facilita además, al usuario el perfil medio mensual de generación.
El perfil de consumo considerado para la simulación es el que muestra la siguiente figura.
La siguientes figuras muestran el comportamiento de las baterías de Pb-ácido (donde se observa su potencia y estado de carga a lo largo del tiempo de simulación) y la potencia intercambiada con la red eléctrica.
El convenio de signos que se sigue en este caso es el siguiente. La potencia negativa es la consumida de la red y las potencias positivas son excedentes de generación que son volcados en ella.
Se observa como existe un consumo de la red producido durante la noche donde no hay generación fotovoltaica y el estado de carga de la batería llega a su límite inferior de descarga. Por otro lado, se observa cómo se entrega potencia a la red en momentos donde el banco de baterías llega a su límite superior de carga y existe un excedente de producción renovable tras alimentar a las cargas conectadas.
Por otro lado, los datos económicos muestran el coste total de la energía consumida de la red. Se introducen los precios de las tarifas pertenecientes a cada periodo tarifario (en este caso se considera 6 períodos diferentes, como ocurre en el caso del sector industrial). Como se ha visto con anterioridad, se producía un consumo importante de la red. La simulación muestra como este consumo se produce en el período 6. Existen otros consumos menores en el período 1 y 2. Esto supone un gasto económico de 5.61 Euros para los tres días simulados.
Por su parte, se realiza una simulación considerando que no existe microrred. Es decir, se estudia el sistema cuando la red eléctrica alimenta a las cargas. Finalmente, se proporciona una comparación y se plantea el ahorro (sin considerar la inversión inicial de los equipos) que plantea la tecnología de la microrred. En este caso, para los tres días de simulación el ahorro económico es de 4. 37 Euros, como muestra la siguiente figura.
Conclusiones
Finalmente, a través de CeMOS es posible:
- Evaluar el diseño preliminar de la instalación: sistemas de almacenamiento y sistemas de generación escogidos, tipología, dimensiones, etc.
- Validar que la estrategia de gestión cumple los objetivos fijados.
- Programar de forma personalizada la estrategia de gestión de la energía.
- Evaluar posibles mejoras dentro de la instalación.
- Reducir los costes de operación de la instalación.
- Etc.