control jerárquico/distribuido y sistemas de comunicaciones de la

control jerárquico/distribuido y sistemas de comunicaciones de la

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.
•
.
•
.
•
.
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
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
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