CONTROL JERÁRQUICO/DISTRIBUIDO Y

SISTEMAS DE COMUNICACIONES DE LA MICRORRED I-SARE

Ander Martin Villate/CEIT-IK4

Introducción

ÍndiceÍndice

Control jerárquico/distribuido para i-Sare

Descripción de los lazos de Control

Comunicaciones de la microred i-Sare

Conclusiones

IntroducciónIntroducción

• La nueva red eléctrica tiende a ser distribuida y flexible, por lo que lageneración y el consumo de energía eléctrica no puede ser concebidospor separado.

• Las microrredes (MG) permiten integrar las Energías Renovables(EERR), la Generación Distribuida (GD) y los sistemas distribuidos dealmacenamiento de energía eléctrica (EES) en conjunto.

• Este nuevo concepto hace que el usuario final no sea considerado unelemento 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.

IntroducciónIntroducción• 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 dedistribución de Iberdrola, a través de uncentro de transformación propio.

– Todos los elementos se conectan a un bus de400 V

– Potencia total instalada (de pico): 500 kW

– Carga nominal de 60 kW

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.

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.

Control Jerárquico/Distribuido para i-SareControl Jerárquico/Distribuido para i-Sare

Lazos de Control: PrimarioLazos de Control: Primario

U0

QQ1

Ukq

• Basado en el Droop-Control.

• 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.

• Implementado en los convertidores de cada elemento de la

microrred.

• 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.

mPww −= *

nQUU −= *

Lazos de Control: Secundario y TerciarioLazos de Control: Secundario y Terciario

wPP

www measuretertiary δ+⋅∆−=

max

• El control terciario establece la consigna de

frecuencia para cada nodo de la microrred, con

el objetivo de cumplir con los requisitos de P.

• El control secundario es capaz de modificar las

desviaciones en frecuencia originadas en la

microrred.

( ) ( )∫ −+−= dtPPkPPkw nnniPnnnpPn*

_*

_ ( ) ( ) snnniwnnnpw wdtwwkwwkw ∆+−+−= ∫*

_*

_δ

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

Control en Potencia Activa

w

P

w00

Pmax

∆w

w01

P0 P1

wref

wPP

www measuretertiary δ+⋅∆−=

max

Lazos de Control: Secundario y TerciarioLazos de Control: Secundario y Terciario

EQQ

EEE measuretertiary δ+⋅∆−=

max

• El control terciario establece la consigna de

tensión para cada nodo de la microrred, con el

objetivo de cumplir con los requisitos de Q.

• El control secundario es capaz de modificar las

desviaciones en tensión originadas en la

microrred.

( ) ( )∫ −+−= dtQQkQQkE nnniQnnnpQn*

_*

_ ( ) ( )∫ −+−= dtEEkEEkE nnniEnnnpE*

_*

_δ

Control en Potencia Reactiva

Tertiary

Control

+

-

Qreference

Qmeasure Secondary

Control

+

-Emeasure

Etertiary

δE

δE

Etertiary

Primary

Control

Lazos de Control: CuaternarioLazos 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: CuaternarioLazos de Control: CuaternarioDespacho 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.

• .

• .

• .

Lazos de Control: CuaternarioLazos de Control: CuaternarioUnit 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.

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.

ConfiguraciónCoste 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

Comunicaciones de la microrred i-SareComunicaciones 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-SareComunicaciones 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.

ConclusionesConclusiones

• 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 graciasAnder Martin Villate

amvillate@ceit.es

PhD Student

Electronics & Communication Department

Paseo Manuel Lardizabal, 15

20018 Donostia-San Sebastian. Spain

Tel. +34 943 212 800 (Ext. 2774)

Fax: +34 943 213 076

Web: www.ceit.es

Paseo del Circuito, 10

20160 Lasarte-Oria, Spain

Tel. +34 943 376 400

Fax: +34 943 371 279

Web: www.jema.es