Una microrred [1] es un grupo descentralizado de fuentes de electricidad y cargas que normalmente opera conectado y sincrónico con la red síncrona tradicional de área amplia (macrorred), pero es capaz de desconectarse de la red interconectada y funcionar de forma autónoma en "modo isla" según lo dicten las condiciones técnicas o económicas. [2] [3] De esta manera, las microrredes mejoran la seguridad del suministro dentro de la celda de la microrred y pueden suministrar energía de emergencia, cambiando entre los modos de isla y conectado. [2]
Otro caso de uso es la aplicación fuera de la red, se denomina microrred autónoma, independiente o aislada. Estas microrredes están mejor atendidas por fuentes de energía locales donde la transmisión y distribución de energía desde una importante fuente de energía centralizada es demasiado lejos y costosa de ejecutar. [4] [5] Ofrecen una opción para la electrificación rural en áreas remotas y en islas geográficas más pequeñas. Como entidad controlable, una microrred puede integrar eficazmente varias fuentes de generación distribuida (GD), especialmente las fuentes de energía renovable (RES). [4]
El control y la protección son dificultades para las microrredes, ya que todos los servicios auxiliares para la estabilización del sistema deben generarse dentro de la microrred y los niveles bajos de cortocircuito pueden ser un desafío para la operación selectiva de los sistemas de protección. Una característica importante es también proporcionar múltiples necesidades de energía útil, como calefacción y refrigeración además de electricidad, ya que esto permite la sustitución de portadores de energía y una mayor eficiencia energética debido a la utilización del calor residual para fines de calefacción, agua caliente sanitaria y refrigeración (uso de energía intersectorial ). [6]
Definición
El Grupo de Intercambio de Microrredes del Departamento de Energía de los Estados Unidos [7] define una microrred como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos (DER) dentro de límites eléctricos claramente definidos que actúa como una entidad única controlable con respecto a la red. Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para permitir que funcione tanto en modo conectado como en isla.
Un proyecto de investigación de la UE [8] describe una microrred que comprende sistemas de distribución de baja tensión (BT) con recursos energéticos distribuidos (DER) ( microturbinas , pilas de combustible , energía fotovoltaica (FV), etc.), dispositivos de almacenamiento ( baterías , volantes ) de energía sistema de almacenamiento y cargas flexibles. Estos sistemas pueden funcionar conectados o desconectados de la red principal. La operación de micro fuentes en la red puede proporcionar beneficios para el rendimiento general del sistema, si se administra y coordina de manera eficiente.
Electropedia define una microrred como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos, que forman un sistema de energía eléctrica local a niveles de tensión de distribución, es decir, tanto de baja como de media tensión hasta 35 kV. Este grupo de nodos de consumidores y productores asociados actúa como una única entidad controlable y puede operar en modo de isla o conectado a la red. [1]
Tipos de microrredes
Entorno del campus / microrredes institucionales
El enfoque de las microrredes del campus es agregar la generación existente en el sitio para soportar múltiples cargas ubicadas en un área geográfica estrecha donde un propietario puede administrarlas fácilmente. [9] [10]
Microrredes comunitarias
Las microrredes comunitarias pueden servir a miles de clientes y apoyar la penetración de la energía local (electricidad, calefacción y refrigeración). [11] En una microrred comunitaria, algunas casas pueden tener algunas fuentes renovables que pueden satisfacer su demanda así como la de sus vecinos dentro de la misma comunidad. La microrred comunitaria también puede tener almacenamientos de energía centralizados o distribuidos. Dichas microrredes pueden tener la forma de una microrred de CA y CC acopladas entre sí a través de un convertidor electrónico de potencia bidireccional. [12]
Microrredes remotas fuera de la red
Estas microrredes nunca se conectan a la macrorred y en cambio operan en modo isla en todo momento debido a problemas económicos o posición geográfica. Por lo general, una microrred "fuera de la red" se construye en áreas que están muy lejos de cualquier infraestructura de transmisión y distribución y, por lo tanto, no tienen conexión a la red de servicios públicos. [9] [13] Los estudios han demostrado que operar un área remota o las microrredes fuera de la red de las islas, que están dominadas por fuentes renovables, reducirá el costo nivelado de producción de electricidad durante la vida de tales proyectos de microrredes. [14] [15]
Varias microrredes independientes pueden abastecer grandes áreas remotas, cada una con un propietario (operador) diferente. Aunque estas microrredes están diseñadas tradicionalmente para ser autosuficientes en energía, las fuentes renovables intermitentes y sus variaciones bruscas e inesperadas pueden causar un déficit de energía inesperado o una generación excesiva en esas microrredes. Esto causará inmediatamente una desviación inaceptable de voltaje o frecuencia en las microrredes. Para remediar tales situaciones, es posible interconectar tales microrredes provisionalmente a una microrred vecina adecuada para intercambiar energía y mejorar las desviaciones de voltaje y frecuencia. [16] [17] Esto se puede lograr mediante un interruptor basado en la electrónica de potencia [18] [19] después de una sincronización adecuada [20] o una conexión adosada de dos convertidores electrónicos de potencia [21] y después de confirmar la estabilidad de el nuevo sistema. La determinación de la necesidad de interconectar las microrredes vecinas y encontrar la microrred adecuada con la que acoplar se puede lograr mediante enfoques de optimización [22] o toma de decisiones [23] .
Microrredes de base militar
Estas microrredes se están implementando activamente con un enfoque en la seguridad física y cibernética para instalaciones militares con el fin de garantizar una energía confiable sin depender de la macrorred . [9] [24]
Microrredes comerciales e industriales (C&I)
Estos tipos de microrredes están madurando rápidamente en América del Norte y Asia oriental; sin embargo, la falta de estándares bien conocidos para este tipo de microrredes los limita a nivel mundial. Las principales razones para la instalación de una microrred industrial son la seguridad del suministro de energía y su confiabilidad. Hay muchos procesos de fabricación en los que una interrupción del suministro de energía puede causar grandes pérdidas de ingresos y un tiempo de puesta en marcha prolongado. [9] [13] Las microrredes industriales pueden diseñarse para suministrar procesos industriales de economía circular (casi) de emisión cero, y pueden integrar la generación combinada de calor y energía (CHP), alimentada por fuentes renovables y procesamiento de residuos; El almacenamiento de energía se puede utilizar adicionalmente para optimizar las operaciones de estos subsistemas. [25]
Componentes básicos en microrredes
Generación local
Una microrred presenta varios tipos de fuentes de generación que suministran electricidad, calefacción y refrigeración al usuario. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales: fuentes de energía térmica (por ejemplo, generadores de gas natural o biogás o microcombustión de calor y energía ) y fuentes de generación renovable (por ejemplo, turbinas eólicas y solar).
Consumo
En una microrred, el consumo se refiere simplemente a los elementos que consumen electricidad, calor y refrigeración, que van desde los dispositivos individuales hasta los sistemas de iluminación y calefacción de edificios, centros comerciales, etc. En el caso de cargas controlables, el consumo eléctrico puede modificarse de acuerdo con a las demandas de la red.
Almacen de energia
En la microrred, el almacenamiento de energía puede realizar múltiples funciones, como garantizar la calidad de la energía, incluida la regulación de frecuencia y voltaje, suavizar la producción de fuentes de energía renovables, proporcionar energía de respaldo para el sistema y desempeñar un papel crucial en la optimización de costos. Incluye todas las tecnologías químicas, eléctricas, de presión, gravitacionales, de volante y de almacenamiento de calor. Cuando se encuentran disponibles en una microrred múltiples almacenamientos de energía con varias capacidades, se prefiere coordinar su carga y descarga de modo que un almacenamiento de energía más pequeño no se descargue más rápido que aquellos con mayores capacidades. Asimismo, se prefiere que uno más pequeño no se cargue por completo antes que los de mayor capacidad. Esto se puede lograr bajo un control coordinado de los depósitos de energía en función de su estado de carga. [26] Si se utilizan varios sistemas de almacenamiento de energía (posiblemente trabajando en diferentes tecnologías) y están controlados por una unidad de supervisión única (un sistema de gestión de energía - EMS), un control jerárquico basado en una arquitectura maestro / esclavo puede garantizar las mejores operaciones, particularmente en el modo de isla. [25]
Punto de acoplamiento común (PCC)
Este es el punto en el circuito eléctrico donde una microrred está conectada a una red principal. [27] Las microrredes que no tienen un PCC se denominan microrredes aisladas que generalmente están presentes en sitios remotos (por ejemplo, comunidades remotas o sitios industriales remotos) donde una interconexión con la red principal no es factible debido a limitaciones técnicas o económicas.
Ventajas y desafíos de las microrredes
Ventajas
Una microrred es capaz de operar en modo conectado a la red y autónomo y de manejar la transición entre los dos. En el modo conectado a la red, los servicios auxiliares se pueden proporcionar mediante la actividad comercial entre la microrred y la red principal. Existen otras posibles fuentes de ingresos. [28] En el modo de isla, la potencia real y reactiva generada dentro de la microrred, incluida la proporcionada por el sistema de almacenamiento de energía, debe estar en equilibrio con la demanda de las cargas locales. Las microrredes ofrecen una opción para equilibrar la necesidad de reducir las emisiones de carbono con continuar proporcionando energía eléctrica confiable en períodos de tiempo en los que las fuentes de energía renovables no están disponibles. Las microrredes también ofrecen la seguridad de estar reforzadas por el clima severo y los desastres naturales al no tener grandes activos y millas de cables sobre el suelo y otra infraestructura eléctrica que deban ser mantenidos o reparados después de tales eventos. [29] [30]
Una microrred puede cambiar entre estos dos modos debido a un mantenimiento programado, una calidad de energía degradada o una escasez en la red principal, fallas en la red local o por razones económicas. [30] [31] Mediante la modificación del flujo de energía a través de los componentes de las microrredes, las microrredes facilitan la integración de energías renovables, como las generaciones fotovoltaicas, eólicas y de pilas de combustible, sin necesidad de rediseñar el sistema de distribución nacional. [31] [32] [33] Los métodos de optimización modernos también se pueden incorporar al sistema de gestión de energía de la microrred para mejorar la eficiencia, la economía y la resiliencia. [29] [34] [33] [35]
Desafíos
Las microrredes, y la integración de las unidades DER en general, introducen una serie de desafíos operativos que deben abordarse en el diseño de los sistemas de control y protección, a fin de garantizar que los niveles actuales de confiabilidad no se vean afectados significativamente, y los beneficios potenciales de las unidades de Generación Distribuida (DG) están completamente aprovechadas. Algunos de estos desafíos surgen de supuestos que normalmente se aplican a los sistemas de distribución convencionales que ya no son válidos, mientras que otros son el resultado de problemas de estabilidad que antes solo se observaban a nivel del sistema de transmisión. [30] Los desafíos más relevantes en la protección y control de microrredes incluyen:
- Flujos de energía bidireccionales: la presencia de unidades de generación distribuida (DG) en la red a niveles de voltaje bajo puede causar flujos de energía inversos que pueden conducir a complicaciones en la coordinación de protección, patrones de flujo de energía no deseados, distribución de corriente de falla y control de voltaje . [30]
- Problemas de estabilidad: las interacciones entre el sistema de control de las unidades de GD pueden crear oscilaciones locales, lo que requiere un análisis exhaustivo de estabilidad de pequeñas perturbaciones. Además, las actividades de transición entre los modos de operación conectado a la red y en isla (independiente) en una microrred pueden crear una inestabilidad transitoria. [36] [30] Estudios recientes han demostrado que la interfaz de microrred de corriente continua (CC) puede resultar en una estructura de control significativamente más simple, una distribución más eficiente de la energía y una mayor capacidad de carga de corriente para las mismas clasificaciones de línea. [37] [38]
- Modelado: muchas características de los esquemas tradicionales, como la prevalencia de condiciones equilibradas trifásicas, principalmente líneas de transmisión inductivas y cargas de potencia constante, no son necesariamente ciertas para las microrredes y, en consecuencia, los modelos deben revisarse. [30]
- Baja inercia: las microrredes exhiben una característica de baja inercia que las hace diferentes a los sistemas de energía a granel, donde una gran cantidad de generadores síncronos asegura una inercia relativamente grande. Este fenómeno es más evidente si hay una proporción significativa de unidades de GD con interfaz electrónica de potencia en la microrred. La baja inercia del sistema puede provocar graves desviaciones de frecuencia en el funcionamiento en modo isla si no se implementa un mecanismo de control adecuado. [30] Los generadores síncronos funcionan a la misma frecuencia que la red, lo que proporciona un efecto de amortiguación natural en las variaciones repentinas de frecuencia. Los inversores sincronizados son inversores que imitan a los generadores síncronos para proporcionar control de frecuencia. Otras opciones incluyen controlar el almacenamiento de energía de la batería o un volante para equilibrar la frecuencia. [39]
- Incertidumbre: El funcionamiento de las microrredes implica abordar mucha incertidumbre, que es algo de lo que depende el funcionamiento económico y fiable de las microrredes. El perfil de carga y el clima son dos incertidumbres que hacen que esta coordinación sea más desafiante en microrredes aisladas, donde el equilibrio crítico de la oferta y la demanda y las tasas de falla de los componentes típicamente más altas requieren resolver un problema fuertemente acoplado en un horizonte de tiempo prolongado. Esta incertidumbre es mayor que la de los sistemas de energía a granel, debido al número reducido de cargas y las variaciones altamente correlacionadas de los recursos energéticos disponibles (el efecto promedio es mucho más limitado). [30]
Herramientas de modelado
Para planificar e instalar las microrredes correctamente, se necesita un modelo de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de adopción del cliente de recursos energéticos distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Otro es Homer Energy, diseñado originalmente por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable . También hay algunas herramientas de diseño eléctrico y de flujo de energía que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico diseñó la herramienta GridLAB-D disponible públicamente y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) diseñó OpenDSS. Una herramienta europea que se puede utilizar para la simulación de demanda de calor eléctrica, de refrigeración, de calefacción y de proceso es EnergyPLAN de la Universidad de Aalborg en Dinamarca. La herramienta de planificación de redes de código abierto OnSSET se ha implementado para investigar las microrredes mediante un análisis de tres niveles que comienza con los arquetipos de asentamientos (estudio de caso en Bolivia ). [40]
Control de microrredes
Con respecto a la arquitectura de control de microrredes, o cualquier problema de control, hay dos enfoques diferentes que se pueden identificar: centralizado [29] [41] y descentralizado. [42] Un control completamente centralizado se basa en una gran cantidad de transmisión de información entre las unidades involucradas antes de que se tome una decisión en un solo punto. La implementación es difícil ya que los sistemas de energía interconectados generalmente cubren ubicaciones geográficas extendidas e involucran una enorme cantidad de unidades. Por otro lado, en un control totalmente descentralizado, cada unidad es controlada por su controlador local sin conocer la situación de los demás. [43] Se puede lograr un compromiso entre esos dos esquemas de control extremos mediante un esquema de control jerárquico que consta de tres niveles de control: primario, secundario y terciario. [29] [30] [44]
Control primario
El control primario está diseñado para satisfacer los siguientes requisitos:
- Para estabilizar el voltaje y la frecuencia.
- Ofrecer capacidad plug and play para DER y compartir adecuadamente la potencia activa y reactiva entre ellos, preferiblemente, sin ningún enlace de comunicación.
- Para mitigar las corrientes circulantes que pueden provocar un fenómeno de sobrecorriente en los dispositivos electrónicos de potencia.
El control primario proporciona los puntos de ajuste para un controlador inferior que son los lazos de control de voltaje y corriente de los DER. Estos lazos de control internos se denominan comúnmente control de nivel cero. [45]
Control secundario
El control secundario tiene típicamente un tiempo de muestreo de segundos a minutos (es decir, más lento que el anterior) lo que justifica la dinámica desacoplada de los lazos de control primario y secundario y facilita sus diseños individuales. El punto de ajuste del control primario viene dado por el control secundario [46] en el cual, como controlador centralizado, restaura la tensión y frecuencia de la microrred y compensa las desviaciones causadas por variaciones de cargas o fuentes renovables. El control secundario también puede diseñarse para satisfacer los requisitos de calidad de la energía , por ejemplo, equilibrio de voltaje en buses críticos. [45]
Control terciario
El control terciario es el último (y el más lento) nivel de control, que considera las preocupaciones económicas en el funcionamiento óptimo de la microrred (el tiempo de muestreo es de minutos a horas) y gestiona el flujo de energía entre la microrred y la red principal. [45] Este nivel a menudo implica la predicción del clima, la tarifa de la red y las cargas en las próximas horas o días para diseñar un plan de despacho de generadores que logre ahorros económicos. [33] Las técnicas más avanzadas también pueden proporcionar un control de un extremo a otro de una microrred utilizando técnicas de aprendizaje automático como el aprendizaje por refuerzo profundo . [47]
En caso de emergencias como apagones, el control terciario puede gestionar un grupo de microrredes interconectadas para formar lo que se denomina "agrupamiento de microrredes", actuando como una central eléctrica virtual para seguir suministrando cargas críticas. Durante estas situaciones, el controlador central debe seleccionar una de las microrredes para que sea la holgura (es decir, maestra) y el resto como PV y buses de carga de acuerdo con un algoritmo predefinido y las condiciones existentes del sistema (es decir, demanda y generación). En este caso, el control debe ser en tiempo real o al menos a una alta frecuencia de muestreo. [36]
IEEE 2030.7
Un marco de controlador menos influenciado por la red pública es el del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos , el IEEE 2030.7. [48] El concepto se basa en 4 bloques: a) Control de nivel del dispositivo (por ejemplo, control de voltaje y frecuencia), b) Control de área local (por ejemplo, comunicación de datos), c) Control de supervisión (software) (por ejemplo, optimización de despacho prospectivo de generación y recursos de carga), yd) Capas de la red (por ejemplo, comunicación con la red eléctrica).
Control elemental
Existe una amplia variedad de algoritmos de control complejos, lo que dificulta a los usuarios de microredes pequeñas y de recursos energéticos distribuidos residenciales (DER) implementar sistemas de control y gestión de energía. Las actualizaciones de comunicaciones y los sistemas de información de datos pueden resultar costosas. Algunos proyectos intentan simplificar y reducir el gasto de control a través de productos listos para usar (por ejemplo, usando una Raspberry Pi). [49] [50]
Ejemplos de
Hajjah y Lahj, Yemen
El proyecto del PNUD “Resiliencia rural mejorada en Yemen” (ERRY) utiliza microrredes solares de propiedad comunitaria. Reduce los costos de energía a solo 2 centavos por hora (mientras que la electricidad generada con diesel cuesta 42 centavos por hora). Ganó los Premios Ashden de Energía Humanitaria en 2020. [51]
Isla de Yeu
Un programa piloto de dos años, llamado Harmon'Yeu, se inició en la primavera de 2020 para interconectar 23 casas en el vecindario de Ker Pissot y áreas circundantes con una microrred que se automatizó como una red inteligente con software de Engie . Se instalaron 64 paneles solares con una capacidad máxima de 23,7 kW en cinco casas y se instaló una batería con una capacidad de almacenamiento de 15 kWh en una casa. Seis casas almacenan el exceso de energía solar en sus calentadores de agua. Un sistema dinámico distribuye la energía proporcionada por los paneles solares y almacenada en la batería y los calentadores de agua al sistema de 23 casas. El software de red inteligente actualiza dinámicamente el suministro y la demanda de energía en intervalos de 5 minutos, decidiendo si extraer energía de la batería o de los paneles y cuándo almacenarla en los calentadores de agua. Este programa piloto fue el primer proyecto de este tipo en Francia. [52] [53]
Les Anglais, Haití
Se instala una microrred administrada de forma inalámbrica en la zona rural de Les Anglais , Haití. [54] El sistema consta de una arquitectura de tres niveles con un servicio de control y monitoreo basado en la nube, una infraestructura de puerta de enlace local integrada y una red en malla de medidores inteligentes inalámbricos implementados en cincuenta y dos edificios.
La pérdida no técnica (NTL) representa un desafío importante cuando se proporciona un servicio eléctrico confiable en países en desarrollo, donde a menudo representa el 11-15% de la capacidad total de generación. [55] Una extensa simulación basada en datos en setenta y dos días de datos de medidores inalámbricos de una microrred de 430 hogares desplegada en Les Anglais investigó cómo distinguir NTL de las pérdidas totales de energía, ayudando en la detección de robo de energía. [56]
Mpeketoni, Kenia
El Proyecto de Electricidad Mpeketoni, un sistema de microrred de energía diesel basado en la comunidad, se estableció en la zona rural de Kenia cerca de Mpeketoni. Debido a la instalación de estas microrredes, Mpeketoni ha experimentado un gran crecimiento en su infraestructura. Dicho crecimiento incluye un aumento de la productividad por trabajador, en valores del 100% al 200%, y un aumento del nivel de ingresos del 20 al 70% según el producto. [57]
Bodega Stone Edge Farm
Una micro-turbina, celda de combustible, batería múltiple, electrolizador de hidrógeno y una bodega habilitada para PV en Sonoma, California. [58] [59]
Ver también
- Energía 100% renovable
- Cogeneración (calor y energía combinados - CHP)
- Respuesta de la demanda
- Generación distribuida
- Generación eléctrica
- Red eléctrica
- Almacen de energia
- Almacenamiento de energía del volante
- Conexión a la red
- Islanding
- Microgeneracion
- Afeitado de pico
- Fotovoltaica
- Desarrollo de energías renovables
- Energía renovable
- Vehículo a red (V2G)
- Energía eólica
- Hidroelectricidad
Referencias
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