CONTROL JERÁRQUICO/DISTRIBUIDO Y SISTEMAS DE COMUNICACIONES DE LA MICRORRED I-SARE Ander Martin Villate/CEIT-IK4

Índice Introducción Control jerárquico/distribuido para i-Sare Descripción de los lazos de Control Comunicaciones de la microred i-Sare Conclusiones

Introducción • La nueva red eléctrica tiende a ser distribuida y flexible, por lo que la generación y el consumo de energía eléctrica no puede ser concebidos por separado. • Las microrredes (MG) permiten integrar las Energías Renovables (EERR), la Generación Distribuida (GD) y los sistemas distribuidos de almacenamiento de energía eléctrica (EES) en conjunto. • Este nuevo concepto hace que el usuario final no sea considerado un elemento pasivo en la red, sino una entidad capaz de generar, almacenar, controlar y gestionar parte de la energía que consumirá; reduciendo el coste e incrementando la fiabilidad y la transparencia.

Introducción • Esta transformación de la red, implica superar nuevos retos tanto en los sistemas de control, como en las comunicaciones. – Droop-Control
Intenta evitar las comunicaciones entre las unidades de una microrred (Barsali et al. 2002, Sung-Woo Park et al. 2003, Chih-Chiang Hua, Liao & Jong-Rong Lin 2002, Sachau, Engler 1999, Matthias, Helmut 2002). – Aunque este método consigue una buena fiabilidad y flexibilidad, presenta varios inconvenientes (Tuladhar et al. 1997, Tuladhar et al. 2000): • No es adecuado cuando unidades de GD en paralelo alimentan cargas no lineales, se debe tener en cuenta las corrientes armónicas, • La impedancia de salida de las unidades de GD y las impedancias de línea afectan a la precisión en el intercambio de energía eléctrica, y • Depende de las desviaciones en frecuencia de la carga, lo que implica una desviación de fase entre las unidades de GD y la red/carga.

• Para hacer frente a este problema, se han definido dos lazos de control adicionales (Guerrero et al. 2009, Guerrero et al. 2011): – Control secundario
encargado de restaurar los valores nominales de frecuencia y tensión en la MG. – Control terciario
establece la referencia de f y V en la MG.

• Esta estrategia de control se aplica en la MG i-Sare.

• Microrred experimental i-Sare – Plataforma de pruebas de nuevos productos, equipos, sistemas y procedimientos para operación y mantenimiento de microrredes. – Potencia de generación de 300 kW • • • •

Aerogeneradores Fotovoltaica Pila de combustible Etc.

– Sistemas de Almacenamiento • • •

Baterías Supercondensadores Flywheel

– Trabaja en isla y con conexión a red de distribución de Iberdrola, a través de un centro de transformación propio. – Todos los elementos se conectan a un bus de 400 V – Potencia total instalada (de pico): 500 kW – Carga nominal de 60 kW

Control Jerárquico/Distribuido para i-Sare Para gestionar la MG compuesta por un conjunto de sistemas de GD, se ha propuesto un sistema de control de 4 niveles con el fin de cumplir con los requerimientos descritos con anterioridad. Se encarga de gestionar de manera óptima los recursos energéticos disponibles en la red. Ajusta las referencias de cada nodo de la Microrred obteniendo un flujo de potencias óptimo. Restablece las desviaciones en frecuencia y amplitud originadas en la Microrred. Además incorpora: - Algoritmo de Sincronización - Algoritmo de Desequilibrios - Algoritmo de Supresión de armónicos Contiene el control interno de cada una de las unidades que componen la Microrred.

Lazos de Control: Primario • Basado en el Droop-Control. • Implementado en los convertidores de cada elemento de la microrred. • Orientado a evitar las comunicaciones críticas entre los equipos conectados en paralelo, de manera permite: - aumentar la seguridad del sistema - evitar las restricciones originadas de las grandes distancia entre los distintos equipos.

w = w* − mP

• Droop-Control: - Utilizado para emular el comportamiento físico de sistemas estables y sobreamortiguados. - A partir de las consignas de frecuencia y tensión es capaz de modificar las curvas de frecuencia y tensión. - De esta forma, es capaz de modificar dinámicamente las potencias sin que se produzcan variaciones bruscas en frecuencia y tensión.

• Para garantizar una dependencia directa entre la potencia activa y la frecuencia y la potencia reactiva con la amplitud de la tensión, se implementa el control de impedancia virtual.

U0 U

kq

Q1

U = U * − nQ

Q

Lazos de Control: Secundario y Terciario Control en Potencia Activa • El control terciario establece la consigna de • El control secundario es capaz de modificar las frecuencia para cada nodo de la microrred, con desviaciones en frecuencia originadas en la el objetivo de cumplir con los requisitos de P. microrred.

(

)

(

)

δw = k pw _ n (wn − wn* ) + kiw _ n ∫ (wn − wn* )dt + ∆ws

wn = k pP _ n Pn* − Pn + kiP _ n ∫ Pn* − Pn dt w

Donde ∆ws es el término de sincronización, que será cero siempre y cuando la red no este presente.

w01

w = wtertiary −

w00 wref

∆w

∆w ⋅ Pmeasure + δw Pmax ∆w w = wtertiary − ⋅ Pmeasure + δw Pmax P

P0

P1

Pmax

Lazos de Control: Secundario y Terciario Control en Potencia Reactiva • El control terciario establece la consigna de • El control secundario es capaz de modificar las tensión para cada nodo de la microrred, con el desviaciones en tensión originadas en la objetivo de cumplir con los requisitos de Q. microrred.

(

)

(

)

En = k pQ _ n Qn* − Qn + kiQ _ n ∫ Qn* − Qn dt

E = Etertiary −

Qreference Qmeasure

+

-

Tertiary Control

δE = k pE _ n (En − En* ) + kiE _ n ∫ (En − En* )dt

∆E ⋅ Qmeasure + δE Qmax Etertiary

Etertiary Emeasure

+ Secondary - Control

δE δE

Primary Control

Lazos de Control: Cuaternario • Constituido principalmente por el Unit Commitment (UC) y el Despacho Económico (ED). - El UC decide, a partir de la previsión de la demanda, que unidades estarán disponibles a lo largo del tiempo. - El ED fija las potencias de cada elemente que entra en juego, de manera que el coste global para atender la demanda sea mínimo.

• Tanto el UC como el ED están basados en los sistemas tradicionales utilizados en grandes redes. • Las diferencias con los sistemas tradicionales derivan de los sistemas de almacenamiento y del punto de conexión. Las principales diferencias tenidas en cuenta son: - Los sistemas de energía renovables → Dificulta la previsión de la capacidad de generación. - La posibilidad de trabajar en isla o conectado a la red principal - Características propias de los generadores, como por ejemplo: tiempo de arranque y apagado, tiempos mínimos de encendido y apagado, etc. - La posibilidad de almacenar una parte de la energía generada.

Lazos de Control: Cuaternario Despacho Económico • Se ha empleado el Método de Iteración Lambda puesto que se ha trabajado con funciones de coste continuas y convexas. Mediante uso de multiplicadores de Lagrange se establecen las condiciones que deben cumplir cada generador para alcanzar así el punto óptimo de funcionamiento. •

.

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Lazos de Control: Cuaternario Unit Commitment • Lista de Prioridades (PL): consiste básicamente en asignar a cada unidad una prioridad de arranque. - Hay que tener en cuenta que los sistemas de almacenamiento entrarán en funcionamiento de manera que eviten o retrasen la entrada de un generador previamente especificado (la carga de un almacenador tiene lugar siempre que esto no signifique la puesta en marcha de un nuevo generador). - Se necesita una previsión de la demanda y un pronóstico de la generación de las fuentes renovables.

• Algoritmos Genéticos (GA): se basa en los principios de la selección natural y permite abordar una gran variedad de problemas de optimización como lo es el UC.

Configuración

Coste Generación T. ejecución (s) (€)

PL

Isla

352,5

0,7

GA

Isla

211,8

97,7

PL

Interconectada

109,6

0,6

GA

Interconectada

54,6

83,8

Se ha optado por trabajar con el procedimiento de Algoritmos Genéticos, ya que los resultados de los costes obtenidos para atender la demanda son menores y el tiempo empleado para obtener una solución optima es asumible.

Comunicaciones de la microrred i-Sare • Se ha utilizado un conjunto de herramientas de código abierto, desarrollado para crear sistemas de control distribuido con requerimientos en tiempo real basado en un esquema cliente/servidor, conocido como EPICS. Entre los más importantes usuarios y desarrolladores de EPIS se encuentran: - Laboratorios The Advanced Photon Source (Argonne National Laboratory, EEUU) - Spallation Neutron Source (EEUU) - Lawrence Berkeley National Laboratory (EEUU) - Swiss Light Source (Suiza) - Diamond Light Source (Reino Unido) - Berlín Electron Synchrotron (BESSY II, Alemania) - Institut Laue-Langevin (Francia) - y otros muchos laboratorios e instalaciones científicas de envergadura

Comunicaciones de la microrred i-Sare • Las razones por las cuales se ha decidido utilizar esta herramienta para el desarrollo del sistema de comunicaciones son: - Es un software de código abierto, utilizado para control distribuido en grandes instalaciones científicas. - Es un estándar ‘de facto’. Los posibles ‘bugs’ que se encuentren en el futuro serán compartidos por muchos usuarios, por lo que un gran número de programadores colaboradores participará en su solución. - Al ser código libre, se dispone de un gran número aplicaciones que sirven de esqueleto base para integrarlo en nuestro sistema en diferentes lenguajes de programación. - Puede utilizarse con diferentes sistemas operativos. - Exige un trabajo de configuración más que de programación. - ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional), proyecto estrella en la actualidad y tercer proyecto más caro de la historia, ha decido utilizar EPICS. Lo que demuestra que es una de la mejores opciones disponibles en la actualidad.

Conclusiones •

La viabilidad del control secundario y terciario en cascada propuesto, basado en la aproximación del Droop-Control, ha sido probada en simulación y en campo en una microrred de dos inversores conectados a una carga variable .

•

El control secundario y terciario proporcionan la estabilidad necesaria a la microrred para hacerla flexible y segura cuando distintas unidades de generación distribuida están conectadas a un mismo bus de AC.

•

Mediante el uso de algoritmos genéticos es posible obtener una mejor gestión de los sistemas de almacenamiento.

•

Actualmente, se está en la fase de implantación del control y las comunicaciones en i-Sare.

Muchas gracias Ander Martin Villate [email protected] PhD Student Electronics & Communication Department

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