Comunicación presentada al IV Congreso Smart Grids:
Autora
Alicia Medina de Diego, Ingeniero de proyecto, Boslan Ingeniería y Consultoría
Resumen
En los últimos años, la preocupación por el medio ambiente se ha visto acentuada, y el vehículo eléctrico parece la respuesta para minimizar la contaminación en las zonas urbanas. La penetración masiva de este tipo de consumos en la red es un reto para la gestión del sistema. Sin embargo, también pueden ser gestionados de manera que contribuyen a alcanzar las metas que se proponen las SmartGrids. En este sentido, el proyecto ofrece una herramienta para los usuarios de esta tecnología. Por un lado, un microcontrolador de Texas Instruments (MCU) controla la potencia intercambiada entre la red y las baterías del vehículo eléctrico mediante un convertidor AC/DC. Por otra parte, el usuario podrá escoger la estrategia para cargar las baterías y monitorizar el proceso desde cualquier rincón del mundo con acceso a internet. La estrategia de la recarga inteligente incluye un algoritmo para adecuar el proceso a la curva de la demanda, lo que favorece al operador del sistema eléctrico alisando la curva de la demanda.
Introducción
El objetivo del proyecto consiste en elaborar un Smart-Meter. Este controlará un inversor y permitirá monitorizar las variables a través de una interfaz web. El Smart-Meter en cuestión está pensado para implantarse en una estación de recarga de las baterías de un vehículo eléctrico, lo que condiciona alguna de sus características.
Descripción de la solución
Podemos distinguir tres partes principales en el trabajo, Tras una breve introducción sobre el contexto en que se realiza el trabajo que contiene algunos conceptos básicos del funcionamiento de sistema eléctrico español, se presenta el microprocesador que se ha elegido para el control del inversor y que alojará la web. A continuación, se comenta el protocolo de comunicación implementado, así como el procesamiento de los datos intercambiados entre el servidor web y el Smart-Meter. Por otra parte, se describe el sistema desde el punto de vista del hardware, es decir, el inversor y los sensores que intercambian datos con el inversor. También se comentan las conexiones entre los mismos y los sistemas auxiliares que conforman el armario. Finalmente, se analiza la interfaz web, realizada con lenguaje HTML así como los principales elementos que la forman. La interfaz presenta algunas aplicaciones entre las que destaca la elaboración de la consigna de intensidad siguiendo una estrategia de “recarga inteligente”.
Microprocesador y comunicaciones
El microprocesador escogido para la realización del proyecto es un Procesador Digital de Señales (DSP) de última generación del fabricante Texas Instruments, modelo C28H52C1 CONCERTO. El motivo de esta elección es que su arquitectura ha sido diseñada separar las acciones de control de las de monitorización y comunicaciones, con el fin de que no interfieran entre sí y lograr así una mayor velocidad de ejecución. El modelo en cuestión se caracteriza por disponer de dos núcleos encargados de atender tareas diferentes: uno de ellos posee un hardware especializado en control de electrónica de potencia mientras que el otro se ha diseñado para ocuparse de las comunicaciones del sistema: conexión a internet nativa, CAN, I2C, etc.
El software empleado para la programación del microprocesador es el Code Composer Studio, de Texas Instruments, perteneciente al marco de Eclipse, pero incorporando múltiples opciones de depuración de TI proporcionando un buen entorno de desarrollo de proyectos.
El protocolo implementado para las comunicaciones es uIP, un Stack TCP/IP pensado para su empleo en pequeños microcontroladores. Su característica más destacable y que lo hace especialmente interesante para estos dispositivos es el bajo requerimiento de código y memoria manteniendo un rendimiento aceptable para su aplicación. El protocolo es muy sencillo, y realiza principalmente tres actividades, procesa de los paquetes entrantes de manera secuencial, atiende las peticiones de la aplicación y realiza las tareas propias del procesamiento y comprobaciones periódicas. La implementación del protocolo se realiza en el núcleo destinado a las comunicaciones, además incluirá la página web que será enviada por el Servidor Web.
Tratamiento de datos
La secuencia de operaciones que se genera cuando el usuario realiza una solicitud a través de la interfaz, normalmente accionando un botón, es la siguiente:
En primer lugar, se crea un objeto denominado “XMLHTTPRequest” o similar, según el navegador, y a continuación se configura la solicitud. Se abre una conexión con el servidor y se genera la URL a enviar incluyendo el comando a ejecutar en el microprocesador que será diferente según el botón seleccionado por el usuario. En algunos casos se incluye más información en la URL enviada, como la consigna de intensidad generada al activar el inversor.
Cuando se obtiene la respuesta del Servidor, detectado mediante un cambio en el estado de la petición que sigue un código estándar, la respuesta recibida se analiza y será representada de manera diferente según el dato solicitado. Algunas solicitudes no generan respuesta por parte del Servidor, como el encendido y el apagado del inversor; sin embargo, los comandos de monitorización de las variables del inversor suponen la recepción de los datos correspondientes.
- En el caso de recibir un dato referido a la medida de la tensión, se calcula la media de los datos recibidos y se representa de manera numérica en una caja de texto destinada a tal efecto.
- La representación del estado de la batería se realiza en un gráfico con forma de pila además de numéricamente sobre esta. El cálculo de este valor se realiza integrando la potencia intercambiada con la red y referida a la capacidad total de la batería. Para ello se debe conocer el estado inicial a partir del cual se realizará la integración. Este se deberá fijar en 0 o 100% según el caso.
- También se pueden solicitar datos de la intensidad instantánea que nos permite visualizar la forma de la onda, que se aproximará a una senoide. En este caso se representará el vector de datos recibidos en el gráfico principal de la interfaz.
- Por último, se tienen los datos de intensidad eficaz o de potencia intercambiada que reciben el mismo tratamiento. Cada vector de datos recibido supone un dato nuevo a incorporar. Dado que los datos medidos corresponden a un intervalo suficientemente pequeño de tiempo, se suponen estables, por lo que se calcula el valor medio y se incorpora a un vector que se irá formando y alargando con cada nuevo dato recibido. Esto nos permite ir visualizando la evolución de estas variables con una escala de tiempos mayor. Cuando se ha recibido una cantidad suficiente de datos y el gráfico está completo los datos se van desplazando hacia la izquierda desechando los datos más antiguos para poder incorporar los más recientes.
Cuando el servidor recibe una petición, analiza la URL y obtiene el comando que indica las instrucciones a ejecutar. En el caso de que se soliciten los datos de una variable, se leen los datos del Buffer_M3 que habrán sido cargados por el núcleo que contiene el Smart-Meter, el C28. Según la posición de lectura en el Buffer se tendrá una variable diferente. Por otra parte, si la instrucción se refiere a la conexión o desconexión del inversor se debe habilitar el inversor para su activación o desactivación según las instrucciones del C28. En el caso de la activación, además se debe obtener la consigna de intensidad y enviarla al Smart-Meter.
Montaje y control del convertidor electrónico
Para la implementación del Smart-Meter se ha utilizado un armario disponible en la Laboratorio de Máquinas Eléctricas, que incluye un convertidor electrónico, diversos sensores tanto de tensión como de intensidad, así como otros elementos auxiliares.
El convertidor electrónico presenta una etapa rectificadora y otra inversora con acceso al bus de continua donde se conectaría la batería, que se carga con corriente continua. La etapa inversora, que será la empleada en este caso, la forman 6 IGBT con sus respectivos diodos en anti-paralelo. El microprocesador controlará los disparos de los IGBT.
Se tienen además cuatro sensores de tensión, tres de ellos medirán la tensión de línea entre las distintas fases de la tensión de red que será tomada como referencia, por tanto, se medirá tensión alterna. El último de ellos será para medir la tensión en el bus de continua. Por otra parte, los sensores de intensidad, de efecto Hall, medirán la corriente en cada una de las fases, disponiéndose de 3 sensores de este tipo. Para que el microprocesador pueda leer estas señales es necesario adaptarlas a unos niveles de tensión adecuados, entre 0 y 3,3 V, para lo que se emplearán las denominadas placas de adaptación de la señal.
Los disparos de los IGBT serán controlados mediante unas señales emitidas por el microprocesador, que, análogamente a lo comentado para los sensores, requiere de varias etapas de adaptación hasta llegar al inversor.
El armario dispone de todas las fuentes de alimentación y protecciones necesarias para el correcto funcionamiento de todos los sistemas comentados.
Modelo del convertidor
La potencia intercambiada con la red se controla desde el microprocesador mediante una consigna establecida según unos criterios determinados que se comentarán más adelante. Por otra parte, es importante destacar que el sistema se analizará en vectores espaciales, lo que permite un tratamiento más sencillo de la información.
Para empezar, es necesario filtrar y recuperar la medida real de los sensores en una operación que se denomina “tarado”. A partir de aquí se pueden obtener las componentes del vector tensión de red que se empleará como referencia.
La consigna que establecerá los disparos de los IGBT es la referencia de tensión en el convertidor. A través de esta variable se tiene control sobre la intensidad que circula por el inversor, y por tanto, la potencia intercambiada. Teniendo en cuenta que el inversor se toma con criterio generador, la ecuación que define el comportamiento del sistema es la siguiente:
De donde se deducen las siguientes expresiones para las componentes en referencia fija del vector espacial.
Por tanto, la intensidad medida se compara con la referencia y a partir del error se establecen las consignas del vector tensión del inversor mediante un regulador PI.
Para obtener los disparos de los IGBT que permiten establecer la tensión establecida se emplea el modulador SVM. Este método consiste en situar el vector en uno de los 6 sextantes en que se divide el plano. Estas divisiones se generan a partir de las posiciones de los vectores generados en las diferentes formas de conmutación de los IGBT, y que se denominarán configuraciones básicas. Una vez identificada la posición del vector se calculan los tiempos que deberán establecerse las diferentes configuraciones básicas, principalmente las correspondientes a los vectores adyacentes y los vectores nulos para alcanzar la consigna establecida, mediante suma de vectores.
Diseño de la interfaz
Finalmente, la interfaz web permite que el usuario conozca lo que ocurre durante la carga de las baterías. Esta interfaz será compatible con todos los sistemas operativos de ordenador, Tablet y Smartphone, y será ejecutable en cualquiera de los navegadores existentes. Para ello, el segundo núcleo actuará como servidor web del Smart Meter, alojando la página HTML que funciona como interfaz de usuario.
La página se ha elaborado en lenguaje HTML y empleando hojas de estilo, CSS, y scripts en JavaScript para mejorar su aspecto y permitir introducir diversas herramientas.
El lenguaje HTML está basado en la referenciación. Los elementos no son incrustados en la página si no que se indica la referencia mediante texto. Esta misma referenciación es utilizada para dar formato, empleando CSS, y establecer los valores de las propiedades de los diferentes elementos de la página, refiriéndose a ellos mediante diversos métodos de identificación.
Los scripts en JavaScript son empleados para manejar los eventos y hacer la página dinámica, esto incluye, por ejemplo, las funciones a ejecutar al pulsar un botón o al cargar la página. También permite configurar y trazar los gráficos empleados para la representación de las variables.
Algunas de las herramientas incluidas en la página son el cambio de idioma (español/inglés) mediante dos botones situados en la parte superior, así como la generación de una consigna de intensidad según los criterios que se explican a continuación.
Recarga inteligente
Para comenzar, el usuario puede establecer el modo de recarga que desea entre recarga inteligente y carga rápida. Por defecto está activado el modo en recarga inteligente. Este modo implicaría realizar la recarga en horas valle, aumentando el consumo en este periodo y alisando la curva de la demanda. Esto optimizaría el sistema y supondría importantes beneficios para el operador de la red. Además, las tarifas con discriminación horaria, con las que la energía tendría un coste menor si se consume en los periodos valle, incentivaría esta elección.
La recarga inteligente trata de adaptarse a la curva de la demanda de energía eléctrica. Para ello la recarga se realiza en el periodo valle, durante la noche, si las características de la recarga lo permiten. Esto requiere la disponibilidad de varios datos referidos a la carga de las baterías del vehículo que el usuario pueda introducir en los campos de la pestaña de ajustes. Por defecto, se han incluido los datos del Nissan Leaf. Además, se dispone de un vector de coeficientes de ponderación asociados a cada hora del día en las que se realiza este tipo de recarga (periodo valle nocturno), teniendo en cuenta la curva de la demanda. A partir de la hora de inicio, tomada del ordenador del usuario, y la de final de carga, establecida en los ajustes por el usuario según sus necesidades, se determina si es posible realizar la carga en este periodo con este método sin sobrepasar la corriente máxima que puede aportar el inversor. El vector de coeficientes de ponderación podría modificarse ligeramente para fomentar la carga durante este periodo. Tras las comprobaciones mencionadas, se comienza a generar la consigna, comprobando cada cierto intervalo de tiempo la hora del sistema, empleando con el coeficiente de ponderación correspondiente a la hora en cuestión. En caso de que no se pueda realizar la recarga en el periodo mencionado, por ejemplo, si la recarga fuera durante el día, se calcula el nivel de corriente que se debería inyectar para realizar la recarga en el periodo establecido. El inconveniente de este método es que en un caso de emergencia en que el usuario necesite utilizar el vehículo de manera imprevista la batería no estará cargada, incluso sería posible que la carga no se hubiera iniciado.
Por otro lado, el modo en carga rápida, establece como consigna la intensidad máxima que puede aportar el inversor. La batería estaría cargada en el menor tiempo posible, aunque supone una estrategia muy agresiva tanto para la batería como para el inversor. Este método no se recomienda por sus efectos negativos sobre los componentes del sistema.
Una vez generada la consigna de intensidad que permite controlar la potencia transferida se envía periódicamente el núcleo que controla el inversor, cargando el vehículo según la estrategia escogida y alcanzando el objetivo previsto.
Conclusiones
La construcción y programación del Smart Meter integrado en la estación de recarga se ha logrado los objetivos propuestos con buenos resultados. El sistema es capaz de realizar la carga de la batería de manera autónoma siguiendo la estrategia de recarga inteligente, si así lo requiere el usuario. De esta forma, el inversor se conectará y desconectará para ajustar la carga a la curva de la demanda eléctrica, en función del tiempo disponible para realizar la carga. Con todo esto, se incide de manera directa en tres de los retos de las SmartGrids: la intervención activa del usuario, la regulación y control de cargas y la monitorización de la red y del consumo.
Agradecimientos
A Dionisio Ramírez, por confiar en mí para realizar este proyecto y por todas las horas de dedicación para conseguir sacar adelante el trabajo en cada una de sus fases. Ha sido un placer trabajar contigo y es una suerte tener en la Escuela profesionales de tu calibre.
A todo el personal del laboratorio de Máquinas Eléctricas, PDI y PAS, por su disposición durante la última etapa del proyecto, y en especial por su carácter desenfadado sin dejar de ser profesional, contribuyendo a crear un ambiente agradable de trabajo para hacer más llevaderas las horas compartidas.
Referencias
- J. Rodríguez & D. Ramírez, 2014, Diapositivas oficiales de la asignatura “Control de Máquinas Eléctricas”. Madrid.
- Texas Instrument. Technical Documents (16 junio 2015).
- «Incidencias de las Smart Grids en la competitividad del Sector ETIC«. MINETAD (13 junio 2016).
- «El suministro de la electricidad«. Red Eléctrica Española (13 junio 2015).