INTRODUCCIÓN
El incremento en el uso de fuentes alternativas de energía, como la eólica y la solar, ha aumentado la necesidad de modificar los sistemas de potencia tradicionales. En el futuro los sistemas de potencia irán cambiando hacia las denominadas redes inteligentes (Smart Grids). El concepto de redes inteligentes es muy amplio, incluyendo aspectos de generación distribuida, gestión de la demanda, medición inteligente, entre otros [1]. Una unidad básica para el desarrollo de las redes inteligentes es la microrred (Microgrid), está puede definirse como una agrupación de cargas y generadores distribuidos que operan como una unidad controlable que provee potencia a su área ya sea aislada o conectada a la red de potencia convencional [2]. Según [3] las microrredes pueden simplificar la puesta en funcionamiento de muchas características de las redes inteligentes. Por ejemplo, el sistema de distribución puede ser dividido en zonas dentro de las cuales varias microrredes se interconectan, disminuyendo la necesidad de un sistema de comunicaciones más complejo. Los sistemas actuales de potencia están implementando proyectos de microrredes en sus redes, de esta manera, en el mediano y largo plazo habrá múltiples áreas interconectadas a través de estas microrredes con elementos propios de las redes inteligentes. Las empresas de energía deben tener herramientas de coordinación y control que puedan manejar sus actividades cooperativamente ante los diferentes disturbios que se presenten en el sistema de potencia.
De esta manera, las microrredes son la manera práctica en que se ha incrementado la penetración de energías no convencionales, con 5 tipos de elementos básicos que las conforman: las fuentes de energía tradicionales, las fuentes de energías renovables, las cargas controlables, las cargas no controlables y los sistemas de almacenamiento de energía [4], [5].
El control por pendiente es una técnica ampliamente utilizada en microrredes, éste reduce las altas corrientes circulantes que pueden aparecer al conectar inversores en paralelo, a la vez que garantiza el reparto de potencia de acuerdo con la capacidad de cada inversor. En una microrred aislada, los inversores ajustan su frecuencia de acuerdo a sus rangos de máxima potencia activa desviándose de la frecuencia nominal. Así, un sistema cuya demanda de potencia está cerca de su rango máximo, está más desviado de su frecuencia nominal. Si se interconectan dos o más microrredes, no sólo se ajusta su frecuencia acercándola más a su valor nominal, sino que mejora su regulación de potencia ante la conexión de grandes cargas. Este efecto se produce por las inercias propias de los diferentes elementos de los sistemas. Una microrred basada únicamente en inversores tiene una inercia muy baja, por otra parte, otras microrredes
incluyen generadores sincrónicos, cuya inercia es mucho más alta y que puede ser determinante en la respuesta del sistema. La presente investigación aporta conocimiento en el modelado a través de computador (Computer Based Modeling) de este tipo de sistemas, que se puede categorizar como un sistema complejo en la teoría de sistemas de control.
Este documento está organizado de la siguiente forma: la sección 2 introduce aspectos generales para el control de microrredes A.C. y el control por pendiente. La sección 3 establece las generalidades para la conexión de generadores sincrónicos a microrredes. La sección 4 establece tres escenarios de conexión de microrredes dependiendo si estas tienen generadores sincrónicos. La sección 4 muestra algunos resultados de simulación en SimPower de Matlab. Finalmente, en la sección 5 se presentan las conclusiones.
1. CONTROL DE LA GENERACIÓN EN MICRORREDES
En una microrred A.C. se conectan en paralelo varios inversores de voltaje, debido a que es la tecnología más utilizada con fuentes renovables. Una microrred conectada al sistema de distribución trabaja como una fuente de corriente, en donde las referencias de voltaje y frecuencia son dadas por el sistema de potencia. Una microrred en modo isla, funciona como una fuente de voltaje, generando sus propias referencias de voltaje y frecuencia. Para garantizar la estabilidad y el reparto proporcional de la potencia entre los inversores de una microrred, la técnica conocida como control por pendiente es ampliamente utilizada. Este tipo de control se basa en un desacople entre la potencia activa y reactiva que suple el inversor. La potencia activa es controlada mediante variaciones en la frecuencia y la potencia reactiva es controlada mediante variaciones en el voltaje.
De acuerdo con la teoría de sistemas de potencia, se pueden hacer varias generalizaciones de un inversor conectado a un bus de voltaje por medio de una línea de transmisión [6].
Figura 1. Conexión entre un inversor y el bus de voltaje.
La Figura 1 muestra la conexión de una fuente
de voltaje a un bus de conexión común a través de una línea de transmisión,
donde es el ángulo de fase entre
el voltaje de salida del inversor y el voltaje del bus común. E es la
amplitud del voltaje de salida del inversor y V es la amplitud del
voltaje en el bus común.
Para líneas de transmisión altamente
inductivas se
cumple:
(1)
(2)
Donde P y Q son los valores de potencia medidos y X el valor de la reactancia de la línea de transmisión.
De (1) y (2) se pueden obtener las ecuaciones de control por pendiente para una microrred con línea de transmisión predominantemente inductiva [7].
(3)
Donde es la referencia de frecuencia angular,
es el valor de referencia de voltaje,
y
son los coeficientes de control por pendiente para potencia activa y
potencia reactiva, respectivamente.
Figura 2. Control por pendiente P-f.
La Figura 2 presenta el control de pendiente P-f
(o P-ω) para tres inversores. Al cambiar la demanda de potencia activa,
cada inversor ajusta su frecuencia de acuerdo a su coeficiente de control por
pendiente, en estado estacionario todos los inversores alcanzarán el mismo
valor de frecuencia. Los valores de son diferentes y dependen de los rangos máximos de potencia activa de
cada inversor.
La asunción de las relaciones P-f y Q-V y el desacople entre las potencias activa y reactiva sólo es válida para redes de alto voltaje [8], en redes de bajo voltaje, la relación puede ser inversa, es decir, P-V y Q-f, como se muestra en la Figura 3:
Figura 3. Control por pendiente Q-f.
Para garantizar un desacople de potencia y una relación P-f y Q-V adecuados, se utiliza una impedancia virtual en cada inversor, que consiste en un lazo de re-alimentación de corriente multiplicado por el valor de la impedancia virtual [8], [9], [10].
(4)
El voltaje de referencia para cada inversor,
incluido el efecto de la impedancia virtual, aparece en (4), [11]. Donde es el valor de referencia de voltaje para los lazos de control de
voltaje y corriente,
es el voltaje de salida sin carga,
es la impedancia virtual de salida y
es la corriente de salida del inversor. El diagrama de conexión para
la impedancia virtual se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Diagrama de bloques para la técnica de impedancia virtual [12].
El control por pendiente requiere calcular la potencia activa y reactiva sobre un ciclo y pasarlas por un filtro pasa-bajos (Ver Figura 5) cuyo ancho de banda es menor que el ancho de banda del inversor en ciclo cerrado [13].
Un esquema general para el control por pendiente P-f se muestra a continuación:
Figura 5. Esquema general del control por pendiente.
Los coeficientes del control por pendiente y
los filtros determinan la dinámica y estabilidad del inversor [14]. Si el valor
de se incrementa, se logra el reparto de potencia (power sharing), pero
la regulación se degrada [13]. La acción del control por pendiente está
limitada por la máxima desviación en frecuencia y voltaje.
Los coeficientes del control por pendiente y
pueden ser escogidos según ([14]).
(5)
El reparto de potencia es una propiedad deseable en un sistema de potencia con varios inversores, esto garantiza que cada inversor entregará una cantidad de potencia de acuerdo con sus rangos. Para asegurar esta propiedad, se debe cumplir la condición dada en ([15]).
(6)
Una de las desventajas del control por pendiente es la desviación introducida en voltaje y frecuencia de sus valores nominales. Este método funciona bien para cargas lineales, pero no es el más adecuado cuando las cargas son no-lineales [13].
Dado que todos los inversores deben llegar al mismo valor de frecuencia en estado estacionario. Se puede llegar a la siguiente igualdad que cumple con la condición dada en ([15])
(7)
La condición dada en (7) se mantiene para n inversores.
2. MICRORREDES CON GENERADORES SINCRÓNICOS
Una microrred puede contener únicamente inversores o puede incluir generadores sincrónicos; en el segundo caso, la dinámica de la red varía considerablemente debido a la alta inercia de las máquinas sincrónicas comparada con la rápida respuesta de los inversores.
Figura 6. Generador sincrónico conectado a través de un conversor back to back.
En la mayoría de los casos, un generador sincrónico (SG) se conecta al bus común de una microrred AC a través de una interface de conversores denominada conversor back to back por su nombre en inglés (Ver Figura 6). Una primera etapa rectifica los voltajes de salida del SG, ésta etapa se conecta con un inversor por medio de un condensador en paralelo que garantiza un voltaje DC estable. La etapa inversora genera las señales trifásicas a la frecuencia y amplitud deseadas. La principal ventaja de este tipo de conexión es la generación de un conjunto de voltajes trifásicos estables aislados de las perturbaciones a que pueda estar sometido el generador. Una de las principales desventajas de esta conexión son las pérdidas producidas en cada una de las etapas, reduciendo la eficiencia del conjunto [15].
Un generador sincrónico puede conectarse directamente a una microrred, por ejemplo, un generador que funciona a base de diésel. Dado que el control por pendiente P/f – Q/V, está basado en el funcionamiento de una máquina sincrónica, es natural utilizar esta propiedad para garantizar el reparto de potencia entre un SG y los generadores distribuidos de la microrred. La poca inercia de un inversor permite cambiar rápidamente la frecuencia y magnitud del voltaje en comparación con un SG, en el cual estos valores son determinados por la velocidad del rotor [15]. La dinámica de un SG es determinada por (8)
(8)
donde es la inercia,
es el coeficiente de amortiguación,
es la
inyección de potencia de potencia mecánica cuyo valor es positivo para el caso
de un generador, y
es
la potencia eléctrica medida en el i-ésimo SG [16], [17].
INTERCONEXIÓN DE MICRORREDES
El modelado y simulación de los sistemas de potencia tradicionales requiere que cada elemento tenga una representación precisa y que la simulación sea el resultado de la solución de una serie de ecuaciones algebraicas y diferenciales que son bien conocidas [5]. Con la penetración de energías renovables en el sistema de potencia se deben reformular los modelos y por ende la ecuaciones que gobiernan el comportamiento con este tipo de energías en el sistema. Estos nuevos modelos y ecuaciones se deben centrar en la variabilidad en el tiempo de este tipo de energías.
Una microrred diseñada para funcionar como una unidad independiente, capaz de garantizar el suministro de potencia a las cargas aún cuando está aislada del sistema de distribución, puede conectarse con otras microrredes.
La conexión entre microrredes ayuda a mejorar
el desempeño de cada una reduciéndo el estrés que puedan sufrir los inversores.
Al disminuir la potencia activa demandada a cada inversor, se reduce el valor
del término en la ecuación del control
por pendiente, mejorando la regulación en frecuencia y disminuyendo las
oscilaciones generadas al conectar una carga grande al sistema.
Se pueden vislumbran tres casos diferentes al interconectar microrredes: 1. Dos microrredes basadas únicamente en inversores. 2. Una microrred basada en inversores y otra que tiene generadores sincrónicos. 3. Dos microrredes, cada una con generadores sincrónicos.
4.1 Conexión entre microrredes formadas únicamente por inversores
La baja inercia de los inversores permite una variación rápida de la frecuencia ante cambios de carga. Permitiendo una mejor respuesta ante cargas variables, pero incrementando la posibilidad de comportamientos oscilatorios en frecuencia.
La Figura 7 muestra dos microrredes basadas en inversores que se interconectan a través de una línea de transmisión, cada microrred puede tener un rango de potencia máxima diferente. Para este caso se utiliza, generalmente, un segundo lazo de control que reestablesca los valores de referencia de voltaje y frecuencia antes de la inteconexión.
4.2 Conexión de una microrred formada únicamente por inversores y otra con al menos un generador sincrónico
En una microrred con un generador sincrónico, la alta inercia de éste determina la respuesta del sistema ante cambios abruptos de carga.
La Figura 8 presenta la conexión entre una microrred basada en inversores y otra que tiene al menos un
generador sincrónico. En este caso, la microrred basada en inversores toma como referencia los valores de la microrred con el generador sincrónico.
Figura 7. Esquema general de conexión entre microrredes basadas en inversores.
Figura 8. Esquema general de conexión entre dos microrredes: una con un generador sincrónico y otra que consta solo de inversores.
La Figura 8 presenta la conexión entre una microrred basada en inversores y otra que tiene al menos un generador sincrónico. En este caso, la microrred basada en inversores toma como referencia los valores de la microrred con el generador sincrónico.
4.3 Conexión entre dos microrredes cada una con al menos un generador sincrónico
Al conectar dos microrredes que contienen generadores sincrónicos (Ver Figura 9), la frecuencia está determina por el generador con mayor inercia. En este caso, la conexión es similar a la de varios generadores sincrónicos.
Figura 9. Esquema general de conexión entre microrredes cada una con al menos un generador sincrónico.
RESULTADOS
Los escenarios simulados en PowerSim de Matlab® se basan en bus común de 400 Vrms, cada inversor utiliza el mismo filtro de potencia activa para el control primario, se garantiza que están en fase y que la magnitud de voltage es aproximadamente igual al momento de la conexión.
Figura 10. Diagrama de simulación para una microrred.
La Figura 10 muestra el esquema de
conexión para dos microrredes a través de la línea de transmisión ,
las dos cargas se conectan al bus de la microrred 1. La
Figura 11 muestra la forma en que se conectan tres inversores dentro de una
microrred particular; para los casos dos y tres uno de los inversores es
reemplazado por el SG..
Figura 11. Diagrama de simulación para una microrred.
La Tabla 1 presenta los valores utilizados en una microrred basada en inversores.
Tabla1. Parámetros de una microrred.
|
Parámetro |
Inversor 1 |
Inversor 2 |
Inversor 3 |
|
Frecuencia de corte (Hz) |
4 |
4 |
4 |
|
Potencia Activa Nominal (kW) |
20 |
25 |
30 |
|
Impedancia de Línea |
|
||
Fuente: Elaboración propia.
Para el primer caso de simulación se interconectan dos microrredes basadas en inversores, ambas microrredes se asumen idénticas.
La Figura 12 muestra la variación de la frecuencia en el sistema para el primer caso. Inicialmente las microrredes están desconectadas y sin carga. Se conecta una carga de 50 kW a la microrred 1 en t=2s, observándose una caída en la frecuencia respecto al valor nominal. En t=4s, se conectan las dos microrredes mejorando la desviación de frecuencia.