25, May, 2024

Simulación en tiempo real de Microredes

charlottevenema.de

Autor: Juan Roberto López Gutiérrez
Instituto Tecnológico de Estudios Superiores Monterrey
Ing. Mecatrónica, Estudiante de Doctorado, A01334289@itesm.mx

Las microredes son cada vez más populares, cada año el número de Microredes instaladas en el mundo aumenta, la tecnología que ayuda a su rápido desarrollo es vital para la resolución de diversos problemas que afronta en un futuro donde se implementes redes eléctricas inteligentes.

Actualmente la arquitectura de una red eléctrica puede presentarse de diferentes maneras dependiendo de los agentes involucrados en la generación y monitoreo de la energía eléctrica. Las redes eléctricas tradicionales, Microredes y Redes inteligentes son conceptos que pueden clasificar a una red eléctrica acorde a ciertas características.  Las redes eléctricas tradicionales son aquellas que basan su generación en recursos no renovables, mientras que las Microredes y Redes eléctricas inteligentes incorporan generación eléctrica con base en recursos renovables, energía fotovoltaica, eólica e hidráulica siendo las más populares.

A diferencia de las redes eléctricas tradicionales, las Microredes son pequeñas redes eléctricas basadas principalmente en generación por energías renovables, al tener una conexión a la red eléctrica tradicional su objetivo es el de auxiliar en la demanda de energía eléctrica, sin embargo, las Microredes pueden trabajar de una forma independiente, llevando energía a zonas remotas donde la expansión de las líneas de transmisión no es posible; en este escenario, su objetivo es generar energía eléctrica de una manera estable para su consumo local mediante el uso de los recursos renovables disponibles en esa localidad. Es decir, comunidades que se encuentren en cercanías de un rio de flujo constante, serán candidatas a la instalación de una Microred basada principalmente en energía hidráulica, mientras que en localidades con un gran impacto solar serán mayormente aptas para instalaciones de paneles solares que permitan la generación de energía aprovechando este recurso natural [2], un esquema general de una Microred se puede ver ilustrado en la Figura 1.

Fig.1 Esquema Microred
Fig.1 Esquema Microred..

El estudio de las Microredes es importante para una futura implementación de redes eléctricas inteligentes, donde la generación, consumo y distribución de la energía eléctrica sea más eficiente, gracias a un mejor aprovechamiento de recursos. La Microredes al ser un punto controlable de generación eléctrica se convierten en un medio para el desarrollo de la expansión de un sistema de distribución mediante la interconexión de pequeñas Microredes, de esta manera la energía es monitoreada y regulada de manera inteligente por el sistema eléctrico con el objetivo de proporcionar electricidad de una forma confiable y accesible.

La incorporación de estas nuevas formas de categorizar las redes eléctricas abre nuevos campos de estudio para diferentes ramas de la ingeniería, creando sistemas más complejos y requiriendo de nuevas y mejores tecnologías para su estudio y futuro progreso. Una de las tecnologías más utilizadas para el estudio y desarrollo de Microredes, tanto en la industria como de forma académica, es conocida como simulaciones en tiempo real [3].

Anteriormente simular sistemas eléctricos no era una tarea fácil de realizar. Gracias al gran avance en tecnologías computacionales hoy en día se tienen sistemas con mayor capacidad computacional, permitiendo tener un mayor desarrollo en sistemas de simulación capaces de resolver problemas de gran complejidad, de esta manera nacen nuevas estrategias de simulación para acortar la brecha entre la conceptualización, prototipaje y la transferencia de tecnología de una idea o proyecto.

Los métodos de simulación tradicionales pueden ser catalogados como simples y rápidos de implementar. Sin embargo, estos no pueden garantizar una constancia en el comportamiento simulado de un sistema para intervalos de tiempo específicos, debido a que trabajan bajo su propia interpretación del tiempo. Una simulación en tiempo real trabaja bajo tiempos restringidos y sujetos al paso de las agujas de un reloj. Es decir, existe un intervalo de tiempo específico en el cual todas las operaciones y tareas en simulación deben ser completadas antes de que se agote el tiempo especificado, de esta manera se asegura que el comportamiento de un modelo simulado sea constante, garantizando una ejecución en tiempo real [1].

La tecnología de simulaciones en tiempo real atiende los problemas relevantes para la mejora en el desarrollo tecnológico de Microredes en campos de ingeniería de control e ingeniería eléctrica. El desarrollo de nuevas propuestas automáticas de control, la integración instintiva de nuevos sistemas de generación eléctrica, el monitoreo y estimación del estado de una Microred, así como la automatización y protección de la Microred, son problemas que pueden ser analizados y resueltos de una manera más sencilla dentro de un ambiente de simulaciones en tiempo real [4].

Imagen: HIL

Co-simulación, Hardware-in-the-Loop (HIL) y
Power Hardware-in-the-Loop (PHIL)

Como parte de las nuevas estrategias que brinda esta tecnología de simulación se encuentran Co-simulación, Hardware-in-the-Loop (HIL) y Power Hardware-in-the-Loop (PHIL). La estrategia de Co-simulación nace a partir de la necesidad de poder simular sistemas más complejos de los que un solo simulador pude soportar, esta estrategia requiere de la conexión de dos o más simuladores de tiempo real, en los cuales diferentes partes de un mismo problema son programadas para su resolución individual bajo una interacción sincronizada con el fin de tener consistencia en el comportamiento del sistema.

Una de las aplicaciones más comunes de Co-simulación en Microredes se llevan a cabo en el proceso de validación de una nueva técnica automática de control para una regulación en la generación de energía mediante recursos renovables. En Co-simulación un simulador tendría programada la propuesta de control, mientras que un segundo simulador se encargaría exclusivamente de simular un modelo perteneciente al sistema a controlar, por ejemplo, una Microred o elementos pertenecientes a la electrónica de potencia, de esta manera se excluye el uso de hardware y se agiliza el periodo de pruebas para el controlador.

Más adelante en el proceso de validación en las pruebas de un controlador se encuentra la estrategia de HIL. En esta etapa de validación se tienen una conexión entre un sistema embebido y un simulador en tiempo real. HIL prueba el desempeño del controlador embebido en un sistema externo, cuya única interacción con el sistema simulado en tiempo real es por medio de entradas y salidas analógica y digitales, de esta manera se garantiza que la técnica de control propuesta funcione en un agente externo.

Finalmente, PHIL es una estrategia, que a diferencia de HIL, requiere de un intercambio de potencia entre el simulador en tiempo real y el hardware que se desea probar, por ejemplo, motores, convertidores de potencia, paneles solares, etc. En otras palabras, gracias a PHIL se puede simular sistemas de control y hardware de alto nivel de potencia sin arriesgar la integridad del personal y sin daños a equipos reales.

Gracias al desarrollo de estas estrategias de simulación basadas en el concepto de simulaciones en tiempo real es posible tener grandes avances en el área de Microredes, logrando que esta tecnología en redes eléctricas crezca en disponibilidad e implementación. A su vez, el gran avance que se puede obtener mediante simulación de tiempo real en Microredes es directamente proporcional al avance en le futuro de las redes eléctricas inteligentes, al ser estas un bloque fundamental para su crecimiento en el un mejor manejo y administración de la energía por un sistema inteligente.

En conclusión

El gran avance computacional en simuladores permite el uso de simulaciones en tiempo real de sistemas complejos como lo son las Microredes y redes inteligentes, creando nuevas oportunidades de colaboración entre instituciones académicas y empresas dedicadas al desarrollo de estas nuevas tecnologías en redes eléctricas, acercándonos un futuro más eficiente con relación a las formas actuales de generación, transmisión y consumo de la energía eléctrica.

Referencias

[1] L. Ibarra, A. Rosales, P. Ponce, A. Molina, and R. Ayyanar, “Overview of Real-Time Simulation as a Supporting Effort to Smart-Grid Attainment,” Energies, vol. 10, no. 6, p. 817, Jun. 2017, doi: 10.3390/en10060817.

[2] A. Khodaei, S. Bahramirad, and M. Shahidehpour, “Microgrid Planning Under Uncertainty,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 30, no. 5, pp. 2417–2425, Sep. 2015, doi: 10.1109/TPWRS.2014.2361094.

[3] Netaji Subhas Institute of Technology, Delhi, India, P. Gaur, and S. Singh, “Investigations on Issues in Microgrids,” Journal of Clean Energy Technologies, vol. 5, no. 1, pp. 47–51, 2017, doi: 10.18178/JOCET.2017.5.1.342.

[4] M. Dyck and O. Nzimako, “Real-time simulation of large distribution networks with distributed energy resources,” CIRED – Open Access Proceedings Journal, vol. 2017, no. 1, pp. 1402–1405, Oct. 2017, doi: 10.1049/oap-cired.2017.0423.

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