Microrredes eléctricas

Por César Leonardo Trujillo Rodríguez, Francisco Santamaría Piedrahita, Johann Alexander Hernández Mora y 5 más

Este libro forma parte de los productos del proyecto de investigación titulado Prototipo de una microrred eléctrica en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas PME-UD, desarrollado por los grupos de investigación Laboratorio de Investigación en Fuentes Alternativas de Energía (LIFAE) y Grupo de Compatibilidad e Interferencia Electromagnética (GCEM) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Francisco José de Caldas.

Este texto responde a una necesidad de las sociedades modernas, en las cuales la tendencia es contar con redes eléctricas locales asistidas por las tecnologías de la información y las comunicaciones, mediante sistemas inteligentes de medida y estrategias avanzadas de gestión, con el fin de contribuir a la modernización de las redes eléctricas del país, la región y la misma universidad, de tal manera que respondan a los nuevos retos de competitividad y confiabilidad del sector eléctrico. Algunos aspectos tratados en este libro tienen un impacto local, nacional e internacional; sin embargo, el propósito global de la publicación es permitir que interesados en el tema de microrredes puedan contar con un texto de referencia.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Distrital Francisco José de Caldas
• Fecha de lanzamiento: 24 dic 2015
• ISBN: 9789587874990

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Capítulo 1. Generalidades de las microrredes eléctricas

César Leonardo Trujillo Rodríguez y Elvis Eduardo Gaona García

Definición

Las microrredes, conocidas también como Microgrids (en el ámbito de las redes inteligentes Smart Grid), se ubican en el área de media tensión (MV - Médium Voltage) y baja tensión (LV - Low Voltage), en el área de distribución, sustentan su funcionamiento con la idea de un modelo descentralizado de energía, en el cual la generación y consumo de energía no deben hacer parte de sistemas independientes [1]. En la actualidad, se propone que las microrredes soporten el uso de fuentes renovables de energía; como la eólica y fotovoltaica, además del desarrollo de técnicas de almacenamiento de energía que permitan mitigar las problemáticas de generación intermitente, presentes en estas técnicas de generación distribuida [2].

Una microrred tiene la capacidad de importar y exportar de forma flexible energía desde y hacia la red, controlar el flujo de potencia activa y potencia reactiva, y manejar el almacenamiento de energía [3].

En los últimos años, una de las grandes prioridades a escala mundial, es el desarrollo de fuentes alternativas de generación de energía eléctrica, y en especial de fuentes renovables produciendo una baja contaminación ambiental. Si bien los combustibles fósiles continuarán supliendo una fracción apreciable del consumo energético, la oferta energética tenderá a ser más diversificada. Opciones como la energía eólica, solar, biomasa renovable e hidrógeno, jugarán un papel importante en el largo plazo y producirán cambios substanciales en el perfil tecnológico ambiental y organizacional del sistema energético global [4].

Es claro que desde el punto de vista de la ausencia de energía en sitios apartados, así como el hecho de entrar en la dinámica de cogeneración energética empleando energías renovables, es factible implementar interfaces capaces de conectarse a la red eléctrica con el fin de transferir energía proveniente de las fuentes renovables, así como alimentar cargas en ausencia de esta, a dichas interfaces se les conoce como microrredes [5].

Tipos de microrredes

Dada la definición de microrred eléctrica, es preciso aclarar que existen diferentes posibilidades de clasificación, dependiendo del tipo de generación empleado, de la cargas a alimentar, de la disposición física, entre otras. Sin embargo, la clasificación más evidente se puede dar en términos de las características eléctricas, es decir, si la microrred eléctrica es en corriente directa o en corriente alterna.

En [6], [7] y [8] se plantea la utilización de microrredes eléctricas basadas en corriente directa. Los diferentes sistemas de generación se conectan a través de convertidores a un bus DC, en donde están presentes las cargas y los sistemas de almacenamiento. Para el caso de cargas AC, se tiene un inversor que asegura las condiciones de calidad de energía adecuadas. En la figura 1.1 se muestra una microrred en DC.

Figura 1.1. Microrred en DC

Figura 1.1. Microrred en DC

Una clasificación adicional que se le puede dar a las microrredes en DC, depende del nivel de tensión con el que se trabaje. Es posible trabajar con tensiones producto de la rectificación de sistemas AC monofásicos o trifásicos, o trabajar con tensiones DC típicas, como son los 48 V utilizados en muchos esquemas y trabajos [8], esto por razones de seguridad para el usuario.

Por otra parte, y continuando con la clasificación presentada anteriormente, se tienen las microrredes en corriente alterna o AC. En este tipo de microrredes los sistemas de generación se conectan a través de convertidores a un bus AC, al igual que las cargas. Los sistemas de almacenamiento y las cargas en DC requieren convertidores que adecúen la energía del bus AC a sus características particulares. El bus se conecta en un único punto a la red eléctrica. En la figura 1.2. se muestra la configuración de una microrred en AC.

Figura 1.2. Microrred en AC

Figura 1.2. Microrred en AC

Dentro de las microrredes en AC se presentan diversas posibilidades de clasificación en función de la tensión a la que se opere, así como al tipo de sistema (monofásico o trifásico). Aunque es común encontrar muchos estudios de sistemas en baja tensión, también es posible encontrarlos a nivel de media tensión como en [9].

Operación de inversores en microrredes

Independientemente de la fuente de generación, los inversores conectados a la red eléctrica se caracterizan en su mayoría por operar como fuentes de corriente en fase y a la misma frecuencia de red [10]. Las estrategias de control para los inversores operando en modo interconectado a red han sido mejoradas con el pasar de los años hasta lograr sistemas altamente eficientes. Por esta razón, en el mercado actual es común encontrar que muchas empresas ofrecen este tipo de sistemas.

Por otra parte, es posible encontrar en la literatura múltiples estudios de operación de inversores en modo interconectado a red y en modo aislado. Una solución que se ha trabajado desde algunos años y que ha tomado fuerza en la actualidad, para la operación de estas unidades, son los denominados esquemas "droop". Estos esquemas de control buscan emular el comportamiento de los generadores eléctricos a partir de inversores, con el fin de hacer un reparto de carga adecuado entre los diferentes inversores que conforman el sistema (conexión en paralelo de unidades). Estos esquemas, como se mencionó anteriormente, permiten la conexión en paralelo de múltiples unidades con la ventaja que no se necesita un sistema de comunicación entre los equipos. En [11] y [12] son empleados los esquemas droop con el fin de que el inversor pueda operar en modo interconectado a red y en modo aislado. De este modo el inversor actúa siempre como fuente de tensión, incluso conectado a la red, dicho efecto se logra gracias al manejo de la impedancia entre el equipo y la red eléctrica. Teniendo en cuenta lo anterior, estos esquemas cambian el paradigma que se tiene con respecto a la operación de los inversores comerciales.

En [13] se presenta un inversor que en modo interconectado a la red opera como una fuente de corriente, pero al presentarse la situación de isla, este reconfigura sus controladores y fija una referencia de tensión con el fin de operar como una fuente de tensión constante. Adicionalmente, en el artículo se expone un sistema de control de carga y un algoritmo de sincronización para la reconexión a la red cuando se disipa la situación de isla.

En [14] se estudia el caso de inversores operando en microrredes, los cuales utilizan la estrategia de reconfiguración de controladores dependiendo del modo de operación en el que se encuentren (interconectado a red o isla). En modo isla, los inversores funcionan como fuentes de tensión, asegurando un reparto de carga adecuado entre los mismos, con buena calidad de formas de onda a la salida. El sistema en general incluye varios niveles jerárquicos de control, uno por encima del funcionamiento habitual de los inversores, el cual indica el tipo de funcionamiento y fija las referencias para un reparto de corriente adecuado, comunicado mediante un bus CAN.

En [15] y [16] se muestran estrategias fundamentadas en la reconfiguración de controladores sobre la base de esquemas de control simples y efectivos. Estos esquemas se basan en la implementación de lazos internos y externos de control, los cuales controlan las variables de estado del sistema a través de controladores tipo PI. Sin embargo, en dichos trabajos no se aclara como es la puesta en paralelo de inversores.

Es posible apreciar que existen diferentes formas de abordar la operación de inversores en microrredes eléctricas dependiendo de si el sistema es interconectado a red, opera en forma aislada, o si la microrred tiene la capacidad de operar en ambas condiciones. La elección de una u otra forma de operación dependerá de la función final para la cual la microrred fue concebida.

Sistemas de almacenamiento en microrredes

Las microrredes ofrecen grandes oportunidades de integrar, a pequeña escala, las fuentes de energía renovable a los sistemas de potencia local. Esta integración permite aumentar el porcentaje de energía proveniente de las fuentes renovables a la generación total de electricidad, por lo tanto, se incrementa la sostenibilidad de la electricidad y en teoría aumenta la fiabilidad del sistema, la seguridad, la flexibilidad y la accesibilidad a la energía eléctrica [17], [18]. Sin embargo, las energías renovables presentan la particularidad de verse afectadas por parámetros externos, como el medio ambiente, los cuales hacen que este tipo de recurso sea inherentemente variable e intermitente en algunos casos [19].

Con el fin de utilizar la energía renovable de manera adecuada, sin tener problemas relacionados con la variabilidad y la intermitencia de la energía, y la inestabilidad de la red eléctrica, debe ser diseñado e implementado un sistema de almacenamiento robusto el cual permita al sistema de potencia local interactuar con un gran número de fuentes de energía renovables.

Debido a las diferencias propias de cada fuente de energía renovable actuante en una microrred, se hace necesario el diseño de sistemas versátiles de almacenamiento de energía con capacidad de operar en amplios rangos de densidad de potencia y de densidad de energía. Dado que ninguna tecnología de almacenamiento de energía por si sola tiene esta capacidad, el sistema debe incorporar una combinación de diferentes tecnologías, tales como supercondensadores, baterías, superconductores magnéticos de almacenamiento de energía y almacenamiento de energía cinética en volantes de inercia [19]. A continuación se describen brevemente algunos de los más relevantes.

A. Baterías para sistemas de almacenamiento de energía . Las baterías se clasifican en primarias y secundarias. Las baterías primarias son las que pueden utilizarse por una sola vez, mientras que las secundarias tienen la posibilidad de recargarse a partir de energía eléctrica revirtiendo el proceso electroquímico.

Los niveles no muy elevados de potencia y energía que se requieren en una microrred hacen de los sistemas de almacenamiento por baterías, una solución para lograr la integración de sistemas de energía alternativa.

B. Supercondensadores . Los supercondensadores presentan características de condensadores y de baterías, con la salvedad de que su funcionamiento no depende de una reacción electroquímica, de esta manera el número de ciclos de carga y descarga es mucho mayor que en las baterías. La energía se almacena en los supercondensadores en forma de campo eléctrico entre dos electrodos, a diferencia de los condensadores. La superficie aislante del dieléctrico se reemplaza por un electrolito conductor de iones.

C. Celdas de combustible . Este sistema se basa en el almacenamiento de energía en forma de combustible. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía que produce electricidad. La electricidad se genera a partir de una fuente externa de combustible (habitualmente hidrogeno) y de oxígeno, sin combustión. Una celda de combustible no se agota ni requiere recarga. Producirá energía en forma de electricidad y calor mientras se le provea de combustible. El único subproducto que se genera es agua.

D. Sistemas de almacenamiento de energía en supercondutores magnéticos (SMES) . Los SMES ( Superconducting Magnetic Energy Storage ) almacenan energía eléctrica en un campo magnético creado por un flujo de corriente continua en una bobina superconductora. Esta bobina superconductora es refrigerada criogénicamente a una temperatura inferior a la temperatura crítica de superconducción. Un sistema SMES suele estar compuesto por la bobina superconductora, el sistema de acondicionamiento de potencia y el refrigerador criogénico.

E. Volantes de inercia (FES) . Los volantes de inercia (FES) almacenan energía mediante la aceleración de un rotor (volante) a una velocidad muy alta y la energía se mantiene en el sistema como energía de rotación. Cuando la energía se extrae del sistema, la velocidad de rotación del volante se reduce como consecuencia del principio de conservación de la energía. Al inyectar energía al sistema resulta en un aumento de la velocidad del volante. El sistema consiste en un rotor suspendido por rodamientos (magnéticos en los grandes sistemas) y en un recinto al vacío para reducir el rozamiento.

F. Almacenamiento de energía mediante aire comprimido (CAES). Los sistemas CAES utilizan la energía comprimida asociada al aire presurizado contenido en depósitos subterráneos, consistente en cavidades naturales o antiguas minas o en acuíferos porosos o en depósitos construidos por el hombre. El almacenamiento se realiza comprimiendo el aire durante horas de baja demanda de energía eléctrica. Durante horas de alta demanda, el aire comprimido se calienta y expande a través de una turbina de combustión para generar energía eléctrica, con una alta eficiencia relativa. Si bien es cierto que este proceso requiere ciclo combinado, el consumo de gas natural para calentar el aire comprimido es menor que si se usaran las centrales de gas convencionales para generar electricidad.

G. Sistema de almacenamiento basado en bombeo hidráulico (PHS) . En un sistema de bombeo hidráulico de almacenamiento, el excedente de energía que aparece en los momentos de baja demanda y aumento de la producción (por ejemplo, el proveniente de los parques eólicos o las estaciones PV existentes) se aprovecha para bombear agua hasta un depósito ubicado a cierta altura, para almacenarla en forma de energía potencial. En consecuencia, durante períodos de máxima demanda, el agua se libera desde el depósito, accionando las turbinas hidráulicas, las cuales se encuentran acopladas a un generador, el cual permite producir energía eléctrica. Los PHS son capaces de cubrir el déficit de energía existente (capacidad de respuesta rápida) de acuerdo con la cantidad de energía almacenada.

H. Almacenamiento de energía térmica (TES) . Existen dos formas de almacenar energía térmica, dependiendo de si se utiliza el calor sensible o el calor latente. Los TES basados en calor latente, hacen uso de la transición líquido-sólido de un material a temperatura constante. Durante la acumulación, el material se desplaza desde el estado sólido al líquido y, durante la recuperación, se pasa de líquido al sólido. Las transferencias de calor entre el acumulador térmico y el ambiente exterior se realizan a través de un fluido de transferencia de calor. La energía se almacena a una temperatura dada, cuanto mayor sea la temperatura más alta es la concentración, es decir, la entalpía de fusión aumenta con la temperatura de fusión del material utilizado. A pesar de su naturaleza altamente corrosiva, el hidróxido de sodio se considera un buen fluido de almacenamiento.

Dependiendo del tipo de microrred, los requerimientos de los sistemas de almacenamiento cambian, es decir, si se trata de sistemas de alta potencia los sistemas de almacenamiento deben tener la capacidad de mantener la calidad de la energía y asegurar la continuidad del servicio, mientras que en los sistemas basados en generación distribuida la premisa es el almacenamiento de energía con el fin de entregarla en los momentos en los cuales la generación no está presente. En la figura 1.3 se muestra la característica de los sistemas de almacenamiento en relación con el almacenamiento de energía y la capacidad de potencia de salida [20].

Figura 1.3. Propiedades de los sistemas de almacenamiento

Figura 1.3. Propiedades de los sistemas de almacenamiento

Una vez seleccionados los diferentes sistemas de almacenamiento a operar en una microrred, el siguiente paso es determinar la forma en que estos se integran a ella. En la figura 1.4 se presenta un diagrama de diferentes formas de integración de sistemas de almacenamiento a la microrred.

Figura 1.4 Integración de sistemas de almacenamiento a microrredes

Figura 1.4 Integración de sistemas de almacenamiento a microrredes

La primera posibilidad consiste en integrar el almacenamiento y la generación en un único sistema. Los elementos de almacenamiento pueden ser colocados en serie o en paralelo con los generadores dependiendo del nivel de potencia que manejen [21]. En baja potencia es común encontrar sistemas de almacenamiento dispuestos en serie. Mientras que al aumentar la potencia, se trabajan con esquemas de almacenamiento en paralelo los cuales tienen la gran ventaja de que la energía proveniente de la generación va a la carga sin pasar por el elemento de almacenamiento, por lo que el convertidor que gestiona la carga del elemento almacenador de energía, no controla la entrega de potencia a la red.

La segunda posibilidad de configuración plantea el manejar el sistema de almacenamiento de forma independiente al sistema de generación. Generalmente, es común encontrar en diversos trabajos [22], [23] y [24] que se opta por generar un bus AC en donde confluye la energía. En este caso, cada sistema de almacenamiento y de generación dispone de un convertidor a AC con el fin de realizar el intercambio de energía en corriente alterna.

Sistemas de comunicaciones en microrredes

En la última década, los sistemas de comunicaciones en las microrredes se centran en los medidores inteligentes, los colectores de información y otros dispositivos de gestión de consumo de energía. Mediante estos, los usuarios y proveedores tienen acceso en tiempo real a la información histórica y actual de cantidad de carga, consumo, pérdidas, caída de energía, flujo de energía y facturación de los usuarios asociados a la red, comprendido en un marco propuesto como AMI (por sus siglas en inglés "Advanced Metering Infraestructure") [25].

Los propósitos de comunicación en la AMI, están enmarcados en un modelo de capas con el fin de cumplir con el proyecto de escalabilidad y confiabilidad, como premisa de funcionamiento en la microrred [26], para ello se han propuesto una serie de protocolos, tecnologías y estándares, que varían dependiendo de la pila de capas contempladas en este tipo de redes.

Es común que hoy en día se relacionen o se ubiquen los protocolos utilizados en microrredes en alguna de las capas que maneja el modelo TCP/IP, independientemente de si se utilizan o no los protocolos propuestos para este modelo. TCP/IP está compuesto por cuatro capas: enlace, red, transporte y aplicación. En cuanto estándares enfocados a la medición e intercambio información, se ha resaltado en gran medida el estándar DLMS/COSEM conocido también como IEC 62056 internacionalmente. DLMS (Device Language Message Specification) compone los estándares y protocolos descritos en IEC 62056, y COSEM o Companion Specification for Energy Metering¹, describe la estructura de los datos al nivel de aplicación.

Entre los protocolos que componen el estándar DLMS/COSEM, se encuentra a nivel de enlace, para transferencia de información punto a punto el protocolo HDLC, en el nivel de transporte y red, se utilizan los protocolos