Micro­Grids de Voltaje DC Regulable en Baja Tensión con Fuentes Renovables y Convencional

Jorge Luis Mírez Tarrillo *Carlos Javier Solano Salinas **

* Ingeniero Mecánico Electricista* Tesista Maestría en Física

* Unidad de Mantenimiento. Hospital General I “José Soto Cadenillas”. Chota. Minsa.*  ** Facultad de Ciencias / Centro de Tecnologías de la Información y Computación – CTIC

* ** Universidad Nacional de Ingenieria

Resumen

El crecimiento en el consumo de energía a nivel   mundial   y   la   disminución   en   la disponibilidad   a   futuro   de   combustibles convencionales, ha servido de sustento para el incremento del uso de fuentes de energía alternativas   renovables,   además   del mejoramiento   y/o   surgimiento   de   nuevas tecnologías de almacenamiento de energía. Por   años,   su   aplicación   a   nivel   de   uso domiciliario   se   ha   dado   incialmente implementado   a   nivel   de   cada   casa   (kit módulo   energía   renovable   unifamiliar).   Sin embargo,   la   tendencia  es  la  de contar  con pequeños   sistemas   eléctricos   “Microgrids” los cuales alimenten a varios usuarios, una pequeña comunidad o pueblo, en el que se use   de   mejor   manera   todos   los   recursos energéticos   renovables   disponibles   (solar, eólica,   biomasa)   y,   añadiendo   a   estas, tecnologias   noveles   como   celdas   de combustible, volantes de inercia, etc. Se describe el planteamiento de una nueva forma de implementación de Microgrids bajo un   bus   DC   regulable   en   dos   niveles   de voltaje   alimentado   por   energias   renovables (solar,   eólica,   célula   de   combustible, baterías,   biomasa)   más   una   fuente convencional de bus AC acoplada al bus DC mediante   un   rectificadores   de   onda completa, el cual tiene como finalidad el usar las   redes   eléctricas   existentes   o   el   seguir parecidos procesos a los actuales de cálculo de redes eléctricas, así mismo,  incrementar la capacidad de conducción y de facilidad de acoplamiento   entre   diferentes   redes   de distribución.   Se   ha   considerado   que   las 

fuentes   de   energía   renovable   posee   un funcionamiento   que   depende   de   factores ambientales   que   cambian   aleatoriamente. Las cargas eléctricas se alimentan a través de   inversores.   El   voltaje   del   bus   DC   es regulado en base a la demanda de energía eléctrica. Un sistema de monitoreo y control de  la   microgrid   permite   evaluar   voltajes   y corrientes  en  cada  parte  de   la  microgrid   y realizar  operaciones de mando,   recolección de datos y gestión de energía; sin embargo, la   finalidad   es   determinar   una   forma   de autofuncionamiento en situaciones normales y   de   falla.   Se   ha   trabajado   en   Matlab   –Simulink y C++. Estos estudios van dirigidos a poder implementarse en la forma actual de distribución   eléctrica   en   baja   tensión,   así como,   un   llamado   a   fabricantes   de convertidores,   reguladores   e   inversores.  El tema se viene desarrollando como parte de la Tesis de Maestría en Física del Autor en la Universidad Nacional de Ingeniería – UNI.

Introducción

En las últimas decadas, la industria eléctrica está experimentando un cambio fundamental desde   el   tradicional   patrón   de   operación centralizada   hacia   la   introducción   de   una gran   cantidad   de   fuentes   generadoras conectadas   a   niveles   de   distribución   de Media   Tensión.   En   los   últimos   años   la tendencia se mueve hacia las mallas (Grids) de Baja Tensión entre 200V a 100V, a través de las interconexiones de pequeñas fuentes modulares   de   generación   eléctrica (microplantas), Esto forma un nuevo tipo de 

sistemas   de   potencia   eléctrica,   llamados MicroGrid.

Las   fuentes   de   generación   usadas   en   las MicroGrid,   puede   ser   calificadas   de   dos tipos:   generación   de   energías   renovables conocidas  y pequeños generadores basados en   las   nuevas   tecnologías.   Combustibles fósiles  y  centrales  hidroeléctricas,  han  sido usados   como   los   principales   fuentes generadoras de energía por mucho tiempo. Pero,   debido   a   las   muchos   problemas relacionados   con   las   plantas   de   potencia: como por ejemplo: emisiones de CO2 y SO2, calentamiento global, crisis de energía, etc.; las   fuentes   renovables,   nuclear   y   de hidrógeno se espera que sean las fuentes de energía que substituirán a  los combustibles fósiles.

Con   fuente   de   energía   renovables   nos referimos a la energía derivada de diversas formas de procesos naturales. A menudo se deriva del sol o el calor dentro de la tierra e incluye   la   energía   solar,   eólica,   biomasa, ecotérmica,   hidroeléctrica   y   los   recursos oceánicos.   Durante   los   últimos   años,   la tecnología   y   la   producción   de   energía renovable  han mejorado,  y  por   lo   tanto,  se utilizan para la producción de electricidad en mayor escala. 

Planteamiento del Problema

El   trabajo   se   ha   fozalido   en   tratar   de enfrentar bajo diferente ópica  los siguientes problemas:

1. La   sincronización   que   debe   de   haber entre diferentes generadores de energía conectados a un mismo bus. 

2. La   disminución   de   la   capacidad   de conducción   de  energía   eléctrica  de   los circuitos en corriente alterna  frente a  la conducción bajo tensión conitnua.

3. El valor de la intensidad de corriente es proporcional   al   consumo   realizado   por las cargas usuarias. Al incrementarse el consumo   de   las   cargas,   la   corriente crece   de   manera   proporcional,   con   la consiguiente   incremento del  valor  de  la caída de tensión.

4. En   corriente   alterna   salvo     haya   la sincronización adecuada,  no  es  posible internonectar dos circuitos de distribución que   salen   de   diferente   transformador. Está   conección   entre   alimentadores puede   ser   dada   para   abastecer   la demanda, por falla en o reducción de la capacidad   de   transmisión   del   otro transformador.

5. El   diseños   de   MicroGrids   se   tienen diferentes circuitos de fuerza de ac y dc, así como para datos.

6. Debido a la conexión tipo árbol desde los transformadores   de   distribución,   las mayores caídas de tensión se observan en   los   extremos   de   cada   circuito   de distribución.

7. Mayores pérdidas eléctricas debido a la corriente alterna en comparación con la corriente continua.

8. Selección   de   conductores   de   mayor calibre   en   caso   de   necesitar   mayor capacidad de conducción, ó en caso no se   realice   esto,   una   mayor   caída   de tensión,   sobrecarga   en   circuitos derivados y mayores pérdidas eléctricas.

9. La   generación   de   campos electromagnéticos   tanto   en funcionamiento normal como en el caso de averías.

10. La   necesidad   de   conducción   de   varios conductores  según  el   tipo  de  conexión (monofásico y trifásico).

11. Flicker, armónicos propios de un sistema de corriente alterna.

12. Elevadas   corriente   de   cortocircuito principalmente   debido   a   las   elementos del   sistema   eléctrico   colocados   líneas arriba   del   punto   donde   se   produce   la falla,   esto   se   conoce   en   el   cálculo convencional   como   “potencia   de cortocircuito”.

13. No   disponibilidad   de   almacenamiento directo de la energía eléctrica, debido a que   la   transmisión   es   en   ac   y   el almacenamiento es en DC.

14. Muchos   de   los   procesos   en   las MicroGrids   de   las   que   se   tiene conocimiento,   se   basa   en   equipos   y componentes electrónicos.

Propuesta de Solución

El   tema   que   se   describe,   está   en investigación   utilizando   software Matlab/Simulink.   Una   de   las   primeras configuración   de   la   MicroGrid   en   que   se trabajó se muestra en la figura sgte.

Fig Nº 1: Primer Modelo Propuesto de MicroGrid

La forma de trabajo de la fuente solar y las baterías   se   describe   más   adelante.   El generador eólico propuesto consiste de dos generadores   conectados   en   serie mecánicamente   y   en   serie   /   paralelo eléctricamente   según   sea   la   necesidad   de voltaje   y   corriente   de   la   MicroGrid.   La potencia nominal de la fuente de generación 

eólica   se   ha   determinado   entre   50KW   a 80KW.

A efectos de facilitar al lector la comprensión del  presente   trabajo  se  asume el  siguiente diagrama de carga:

Fig Nº 2: Diagrama de Carga.

Cuando   haya   exceso   en   el   generación   de energía   renovable   y   considerando   que   las baterías están ya cargadas,  el  sobrante de energía   se   deriva   hacia   el   elemento   de biomasa considerado en el circuito (sea este un   biodigestor   o   un   relleno   sanitario productor   de   abono   y   gas   metano)   con   la finalidad  de  aumentar   la   temperatura  en  la biomasa y acelerar sus procesos internos.

La   MicroGrid   propuesta,   necesita   de inversores   de   potencia   a   nivel   de   los usuarios,   su   amplio   uso   propone   una reducción   progresiva   de   costos   de producción y de venta.

Hay un o varios (según el diseño) puntos de ingresos   de   la   red   convencional   hacia   la MicroGrid, la energía alterna es convertida a continua a través de bancos de rectificadores de   onda   completa   con   sus   respectivos elementos para aplanar la forma de la onda.

Tanto la generación eólica, solar y biomasa, considera generar   la  cantidad  suficiente  de energía   para   una   buena   cantidad   de usuarios, ya que lo que se pretende utilzar es la   mayor   cantidad   posible   de   las   fuentes primarias de energía renovables localizadas en   la   ciudad   o   pueblo   en   estudio   y   de   la 

materia orgánica producida por la población involucrada.

Al   sistema   de   MicroGrid   propuesto   se   le puede agregar diferentes elementos noveles de   almacenamiento   de   energía,   como   son los   volantes   de   inercia, supercondensadores . 

Los volantes de inercia son aún caros pero se prevee a  futuro   reducción de  costos  ya que tienen el beneficio de gran durabilidad, fiabilidad y  reducido mantenimiento  durante su   vida   útil   de   funcionamiento.   Los supercondensadores     y  ultracondensadores se   han   considerado   como   elementos   que suplen de energía momentaneamente a  las cargas durante el cambio de voltaje, a fin de evitar   sobrevoltajes,   armonicos,   flickers   y ruido en los conductores.

Frente   a   los   problemas   mencionados,   lo propuesto se sustenta en lo sgte:

1. La   necesidad   de   sincronización   es eliminada por la utilizacion de un bus de corriente   continua,   la   que   al   no   tener frecuencia, permite que el intercambio de flujo de energía se establezca debido a la diferencia  de  potencial   que   se  da  a   la salida de  los diferentes generadores de electricidad.   Los   cálculos   de   flujo   de potencia   se   simplifican.   Tambien   se añade   la   ventaja   de   la   DC   en   el aislamiento   eléctrico   y   el   peligro   de electrocución de las redes en AC.

2. Al   proponer   un   sistema   de   corriente continua,   los   conductores   tienen   una mayor   capacidad   de   conducción   de corriente,   debido   a   no   presencia   de frecuencia, efecto pelicular. Esto debido a   la   utilización   de   toda   la   sección transversal   del   conductor   en   DC, respecto  a   la  AC  en   donde   la  energía circula   hacia   los   alrededores   del conductor.

3. Al   proponer   un   sistema   de   corriente continua   con   dos   o   más   niveles   de tensión,   la   corriente   circulante  a   través de los conductores se mantendrá  en un valor reducido en función a como varíe el voltaje vs demanda de energía eléctrica. 

Fig. Nº 3: Intensidad de corriente método convencional y propuesto.

4. La   interconexión   entre   dos   circuitos  es más   fácil   de   realizar   bajo   un   bus   DC, para   lo   cual   sólo   es   necesario   pocos componentes   electromecánicos   o electrónicos,   que   determinen   la diferencia   de   voltaje   entre   ambos circuitos   a   conectar   para   determinar   la posibilidad   de   interconexión.   El   PCC lleva   consigo   elementos   que   permitan disminuir la generación de anomalidades en los parámetros de régimen.

5. En  la MicroGrid  propuesta,  se pretende utilizar los mismos conductores de fuerza del bus DC como medios por donde se transmita   la  información de recopilación de datos de los diferentes sensores en la MicroGrid.

6. Una MicroGrid en DC, permite configurar la   topología   de     conexión   de   los diferentes   circuitos   en   diferentes maneras con  la  finalidad de compensar las pérdidas de voltaje que se producen cuando  se   tiene  una  configuración   tipo árbol   desde   las   subestaciones. Configuración anular es posible bajo este procedimiento,   entendiendo   que   en   los 

sistemas   de   distribución   en   pueblos   y ciudades,   la   distribución   de   calles   y viviendas haría posible tal arreglo con los beneficios correspondientes en voltaje y energía, ya que se suple las cargas por varias trayectorias.

7. Las pérdidas eléctricas en una MicroGrid en bus DC son principalmente debidas a efecto   Joule.   Si   a   esto   se   añade   la posibilidad   de   cambiar   de   voltaje   en función a la demanda del bus DC, hace que   haya   una   mayor   reducción   de   las pérdidas eléctricas.

Fig Nº 4: Cálculo de Pérdidas Eléctricas método convencional vs propuesto.

Fig Nº 5: Caídas de Voltaje y Pérdidas por Efecto Joule

8. En la MicroGrid propuesta, al ser el bus tipo DC y además, tener los voltajes que se pueden seleccionar,   los conductores sólo   deben   cumplir   los   estándares   de calidad  para desempeño en   los  niveles de   voltaje   de   baja   tensión,   de   esta 

manera,   asegurar   un   buen   desempeño no   sólo   a   220   Vrms   que   es   lo convencional, sino llegar hasta niveles de tensión   próximos   a   los   1000   Vdc.   La calidad   del   aislamiento   es   fundamental para implementar este tipo de MicroGrid.

Fig   Nº   6:   Programa   para   cálculo   de conductores hecho en Matlab

9. Dado   que   la   generación   de   campos electromagnéticos   es   debido   a   la variación de la intensidad de corriente en el   tiempo,  en el   sistema propuesto,   los campos  electromagnéticos  serán  dados principalmente en  función a  la corriente necesaria   para   atender   a   las   cargas, considerando .

10. Un bus DC da  la posibilidad de reducir conductores   necesarios   para   la transmisión   de   energía.   La   iluminación puede tener en cada juego de luminaria – lámpara   la   opción   de   encendido automático,   dado   que   los   costos   en dispositivos   electrónicos   cada   vez   se reducen.   Sin   embargo,   cada   MicroGrid debe   ser   estudiada   para   determinar   la cantidad  de   conductores   necesarios  en función a la demanda, la distribución de las cargas, la proyección a futuro, estudio de máxima demanda, etc.

11. Ciertamente,  que algunos  componentes electrónicos   serán   necesarios   para   el funcionamiento   del   tipo   de   MicroGrid propuesta,  pero en  todos  los casos,  se 

están estudiando la influencia en flicker y armónicos en la MicroGrid de los equipos y elementos electrónicos.

12. Debido al tipo de fuentes renovables que estamos   incluendo,   los   niveles   de potencia   de   cortocircuito   serán   mucho menores   que   en   el   caso   de   una   red alterna   convencional,   en   donde   por   lo general,  se toma de valor infinito  la red grande desde donde se provee energía a las subestaciones

13. Por   lo  general   para  el   almacenamiento desde bus AC, se utilizan cargadores de baterias, convertidores dc/ac,  inversores dc/ac.   Siendo   el   bus   AC   en   el   voltaje adecuado, la carga de baterías se haría con la ayuda de elementos electrónicos limitadores de corriente, ya que en este caso  de  baterías,  estas  se  conectarían en serie – parelelo en función a como se va comportando el voltaje de la red. Esta misma idea se puede considerar para el caso   de   los   paneles   solares.   Un diagrama   ilustrativo   de   esta   idea   se muestra a continuación.

Fig Nº 7: Instalación de Paneles Solares para Disposición de Conexión Serie­Paralelo.

El   arreglo   descrito   en   la   Fig.   Nº   7, permite la conexión en serie y/o paralelo para obtener un ajuste en el voltaje de la MicroGrid. 

14. El   modelo   propuesto   busca   reducir   al máximo   la   cantidad   de   componentes electrónicos  necesarios.  Es  la   intención del presente trabajo, conocer en detalle 

los procesos físicos  involucrados con la finalidad   de   implementar   procesos   de mando,   control   y   de   comunicación bastante  sencillos  y  poco  dependientes de   la   electrónica.   Hay   un   punto   al respecto   por   considerar,   y   es   que   las empresas   de   generación   y   distribución de   electricidad,   pueden   conectar   en   la caja del medidor de los usuarios, equipos que   permitan   recavar   y   enviar información   relacionada   al   consumo hecho por cada cliente.

Conclusiones

1. Un tipo de MicroGrid propuesta presenta varias   ventajas   en   control   de interconección, capacidad de conducción de corriente, entre otras.

2. Da   la   posibilidad   de   múltiples configuraciones   de   interconexión eléctrica para asegurar  la disponibilidad de energía eléctrica y voltaje.

3. Exceso de energía puede ser llevado a la red   convencional   y/o   puede   utilizarse para abreviar procesos renovables como son la biomasa.

4. Da la posibilidad de un mayor control y mejor   mando   de   la   energía   eléctrica generada, almacenada, en circulación y la consumida por los clientes.

5. Reducción en campos electromagnéticos6. Se vislumbra un mejor uso de las fuentes 

primarias   de   energías   renovables disponibles   en   un   localidad   y   de   la biomasa generada por la población.

7. La forma de trabajo de la MicroGrid da la posibilidad de poder implementar el uso de   células   de   combustible,   flywheel, super   y   ultra   condensadores;   cuya conexión   a   la   MicroGrid   se   haría   de manera sencilla.

Recomendaciones

Dado que la tendencia es al uso masivo de las   MicroGrid,   el   cumplir   con   estándares internacionales es una considerando que se viene trabajando.  Además,   la  necesidad de 

que en nuestro país, se impulse la creación de   normas   técnicas   relacionadas   a aplicaciones   de   MicroGrids   y   otras relacionadas a la energías renovables. Por lo tanto, se recomienda el  impulso en crear la normativa   técnica   y   otras,   que   impulse   el desarrollo   e   implementación   de   dichas tecnologías, teniendo en cuenta que nuestro país será  uno de  los más afectados por el cambio climático mundial.

Dado   que   la   investigación   a   nivel   de   los conocimientos   y   descripción   de   los fenómenos físicos inherentes a este tipo de sistema,   aportan   considerablemente   en   la toma de decisiones, criterios de diseño y de selección de elementos de la MicroGrid;  es recomendable   seguir   el   trabajo   de investigación   básica,   añadiendo   software como Autocad Electrical, PSCAD / EMTDC, entre   otros,   que   nos   permitan   un   mejor conocimiento de las configuraciones que se vienen simulando.

Dado   que   las   tecnologías   en   renovables estñan en constante mejora, se recomienda tener en cuenta en los diseños y selección, materiales de reciente desarrollo con mejor desempeño. Por ejemplo, en la Fig. Nº 8, se muestra   los   desarrollos   en   células fotovoltaicas.

Fig Nº 8: Desarrollo de células fotovoltaicas

Se   recomienda   hacer   el   estudio   de   la MicroGrid   considerando   tecnologías   como las células de combustible,  los generadores de   hidrógeno,   rellenos   sanitarios   que generan metano, super condensadores, ultra condensadores,   flywheel,  entre  otros;   todos 

ellos   considerando   el   desarrollo   de   los circuitos de mando y control de fuerza, mas la   captación,   envío,   procesamiento   de información que los parámetros de régimen y del sistema.

Se   recomienda   al   lector   comprender   que parte del trabajo es: describir y comprender los procesos físicos involucrados y, en base a   ellos,   plantear   soluciones   para   un   mejor funcionamiento y control de la MicroGrid, con poca utilización de componentes y elementos electrónicos,   en   resumen,   la   dependencia tecnológica debe ser la mínima posible.

Bibliografia

Mírez   Tarrillo,   Jorge   Luis.  “Modelamiento,  Diseño,   Control   y   Simulación   de   una MicroGrid   alimentado   por   Fuentes Renovables   y   Convencional”.   Tesis   para optar   el   grado   de   Master   en   Física   [en desrrollo].   Asesor:  Dr   Carlos   Javier  Solano Salinas.   Facultad   de   Ciencias.   Universidad Nacional de Ingeniería.. 2009.