Capítulo 1 – Introducción y objetivos 1
Capítulo 1
Introducción y objetivos
En este capítulo se va a poner de manifiesto el panorama actual del sistema eléctrico español y la
implantación de los distintos avances que está sufriendo nuestra sociedad, como pueden ser la
implantación de la generación distribuida o el impacto de los coches eléctricos en el sistema eléctrico.
1.1. Problemática de las redes de distribución actuales
El sector de la distribución de energía eléctrica está en la actualidad atravesando una situación crítica
debido a la combinación de una serie de factores: crecimiento de la demanda (si bien este factor se ha
visto frenado en el caso español debido a la crisis económica que afecta al país), objeciones
medioambientales y sociales a la realización de nuevas infraestructuras eléctricas, dificultades
económicas para invertir en nuevos elementos de red, condiciones regulatorias no excesivamente
estables y, finalmente, requerimientos de calidad de suministro por parte del cliente final cada vez más
exigente. A este ya de por sí complicado escenario se unen otros factores que dificultan aún más si cabe
la operación de redes de distribución tradicionales. Por una parte, inversores privados han sido atraídos
al sector de la generación eléctrica mediante fuentes renovables de energía. Esto se debe
principalmente a las altas primas que desde los gobiernos se ofrecieron a la generación basada en
recursos energéticos como el solar, el eólico o la biomasa o al aprovechamiento eficiente de la energía a
través de cogeneraciones. En este sentido, es importante remarcar que la penetración en redes de
distribución de media tensión (MT) y baja tensión (BT) de las tecnologías asociadas a cada una de estas
fuentes energéticas no es pareja. Así, la energía eólica es prácticamente inexistente en redes MT y BT,
debido a que tanto fabricantes de equipos como promotores se focalizan en grandes parques de
producción. Sin embargo, una vez que están prácticamente agotadas las concesiones de este tipo de
grandes instalaciones, el sector debe buscar nuevas alternativas de instalación en redes MT y BT con
unidades de menor potencia [1], lo cual podría aumentar todavía más la presencia de generación en
este tipo de redes. Por otra parte, el desarrollo que la movilidad eléctrica está experimentando en los
últimos años con los coches puramente eléctricos en sus modalidades convencional (cargas eléctricas
puras) y V2G (vehículos con posibilidad de inyectar potencia activa a la red) puede afectar notablemente
a la red de distribución dependiendo de factores como tiempo de recarga y horario en la que esta se
efectúe.
Por estos motivos, el actual panorama de las redes de distribución muestra que se están dando los
primeros pasos en la progresión de las clásicas redes pasivas de distribución hacia las futuras redes
inteligentes o smart-grids en las que se prevé la presencia de generación distribuida y coches eléctricos.
Como consecuencia, es el momento de analizar si la actual estructura radial de las redes de distribución
MT y BT, constituidas por alimentadores arborescentes diseñados para suministrar la potencia desde las
subestaciones de reparto hacia las cargas, es la más adecuada teniendo en cuenta el escenario futuro al
que éstas se enfrentan.
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Una alternativa a las redes radiales consiste en una topología mallada. No obstante, esto plantea una
serie de problemas como el aumento de la potencia de cortocircuito o la imposibilidad de controlar el
flujo de potencia. Una posible solución a este problema podría conseguirse con la incorporación de
elementos basados en electrónica de potencia que sean capaces de regular los flujos de potencia entre
los alimentadores posibilitando un mallado flexible de la red.
1.2. Mallado flexible de las redes de distribución
El mallado flexible consiste en realizar dicho mallado entre alimentadores vecinos de las redes de
distribución, tanto MT como BT, a través de convertidores electrónicos de manera que pueda ser
controlado el flujo de potencia entre dichos alimentadores, tal y como se muestra en la Figura 1 para un
caso en la red MT. Estos convertidores electrónicos recibirán el nombre de enlace flexible
independientemente de la topología adoptada.
FIGURA 1 - MALLADO FLEXIBLE DE DOS ALIMENTADORES DE LA RED DE MT MEDIANTE UN CONVERTIDOR ELECTRÓNICO.
Las ventajas de la utilización de los enlaces flexibles se pueden resumir en los siguientes aspectos:
Regulación de la potencia activa trasvasada de un alimentador a otro de forma continua y en
cualquier sentido, dando lugar a un bucle virtual cuyo grado de mallado puede ser controlado en
cada instante de acuerdo a las necesidades de la red. Esta estrategia es netamente superior al
mallado a través de un seccionador debido a que en este caso se tendría un flujo de potencia que
dependería de la diferencia de ángulos de las tensiones de las subestaciones de cabecera, no
pudiéndose mallar subestaciones que estuvieran distantes eléctricamente.
Regulación de la tensión en el lado de alterna mediante los necesarios aportes de potencia
reactiva dependiendo de la topología empleada en el enlace flexible. Este aspecto es
particularmente destacable teniendo en cuenta que los puntos de apoyo entre alimentadores se
encuentran habitualmente lejos de la cabecera de los mismos, donde resulta más difícil mantener
las tensiones dentro de los límites reglamentarios.
Compensación de desequilibrios y armónicos ayudando a mejorar la calidad de onda y
disminuyendo las pérdidas adicionales asociadas a los mismos.
Sin embargo, la utilización de esta topología presenta los siguientes inconvenientes:
Los convertidores en fuente de tensión (Voltage Source Converters – VSCs) deben estar
dimensionados para la potencia nominal que se va a trasvasar entre los alimentadores, al tratarse
de un dispositivo conectado en cascada. Por este motivo, el coste económico asociado a esta
tecnología es elevado.
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Existe la necesidad de utilizar transformadores de conexión a red, lo cual dificulta su
instalación en centros de transformación ya existentes dado que se necesitarían transformadores
de la potencia nominal a trasvasar, a lo cual hay que sumar el elevado volumen ocupado por los
convertidores.
Ello puede condicionar fuertemente la implantación real de este tipo de dispositivos. De forma
adicional, se desea extender a la red BT esta filosofía de explotación debido principalmente a dos
motivos. Por una parte, en la red BT se prevé en un futuro cercano una integración de generación
distribuida mayor y la presencia de nuevas cargas como el coche eléctrico. Por otra, la menor potencia
nominal de los dispositivos electrónicos necesarios para la red BT puede suponer una mayor
aplicabilidad de los enlaces flexibles debido al reducido coste en comparación con las aplicaciones de la
red MT.
Para poner a prueba este mallado flexible de una red se propone utilizar la red CIGRE C06.04.02 para
escalarla a niveles admisibles para laboratorio y montar convertidores en dicha red simulando cargas y
generaciones en la misma.
1.3. Red a escala basada en la red CIGRE C06.04.02
Durante las últimas décadas la ingeniería eléctrica ha experimentado un aumento paulatino de
confianza en las herramientas de simulación para diseñar o evaluar el funcionamiento de dispositivos o
procedimientos [2], [3]. Las ventajas de las herramientas de simulación resultan evidentes: coste
reducido y facilidad de uso. De esta forma, es relativamente sencillo probar algoritmos, procedimientos
e incluso diseñar dispositivos mediante las herramientas de simulación adecuadas.
Sin embargo, la etapa de diseño no debe finalizar en la simulación del sistema debido a que una
simulación no deja de ser una representación matemática limitada de un modelo físico más complejo.
Desde este punto de vista, la realización tanto de prototipos de dispositivos físicos y la prueba de
procedimientos en sistemas reales es indispensable para verificar el correcto funcionamiento de los
mismos antes de su fabricación masiva e implantación en sistemas complejos como las redes eléctricas.
Por estos motivos, resultaría de bastante utilidad poder contar en el ámbito de las redes inteligentes
con un laboratorio en el que pudieran realizarse las pruebas necesarias a las distintas tecnologías que se
están desarrollando. La red de distribución a escala que se ha desarrollado en este proyecto tiene este
objetivo y para ello debe ser una representación lo más fidedigna posible a la realidad.
La red a escala consiste en realizar el diseño y construcción de una red de distribución de media tensión
propuesta por la Task Force CIGRE C06.04.02 en escala de laboratorio para lo cual se reduce tanto el
nivel de tensión como la potencia nominal asociada a cada uno de sus elementos. Realizando este
escalado de forma adecuada, la red a escala reproducirá un comportamiento desde el punto de vista
eléctrico similar a la red original. De esta forma podría probarse en el laboratorio mediante ensayos
experimentales equipos, algoritmos de control o procedimientos antes de ser probados en campo.
A partir de una red de distribución de energía eléctrica real con unos parámetros físicos determinados
que alimenta a un conjunto de cargas, se propone realizar un escalado mediante el cambio de las
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magnitudes base (tensión y potencia nominal) asociadas a dicha red. De esta forma se obtendrán
comportamientos similares en ambas redes en relación a sus respectivas bases. Si en la red original se
tiene un juego de magnitudes base (Ub0, Sb0) y en la red a escala (Ub1, Sb1), la relación entre las
magnitudes de cada una de las redes es la siguiente:
Tensiones:
(1.1)
Intensidades:
(1.2)
Potencias:
(1.3)
Impedancias:
(1.4)
donde las magnitudes Xo corresponden a la red original y las magnitudes X1 son las de la red a escala.
Tal y como se ha comentado anteriormente, la red que se ha tomado como base para realizar el
escalado es la propuesta por la CIGRE Task Force C06.04.02 Computational Tools and Techniques for
Analysis, Design and Validation of Distributed Generation Systems. Los motivos principales por los que
se ha elegido esta red de distribución son los siguientes:
Está basada en una red de distribución real de una compañía distribuidora alemana
presentando las características inherentes a las redes de distribución: radial y con ratios R/X
elevados. Esto lo hace de especial interés desde el punto de vista de la integración de generación
distribuida.
Está completamente documentada existiendo información referente a: topología, parámetros
de líneas, tipología de cargas (residenciales e industriales) y generadores [4]-[5].
Incluye algunos elementos que podrían estar presentes en las redes de distribución del futuro
como dispositivos de almacenamiento de energía y enlaces asíncronos basados en electrónica de
potencia.
La Figura 2 muestra el esquema unifilar de la red de distribución propuesta. Se trata de una red que
alimenta a una pequeña ciudad y el área rural circundante. Está compuesta por dos alimentadores
radiales en 20 kV que parten de una subestación 110/20 kV a través de transformadores de 20 MVA. Si
bien la mayor parte de la red está formada por cable subterráneo también existen tramos de línea
aérea. Se incluyen los puntos en los que se realiza un seccionamiento de la red (marcados con una T)
que pueden ser utilizados tanto para reconfiguración de la misma como para evaluar un funcionamiento
mallado.
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FIGURA 2 - ESQUEMA UNIFILAR DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN
Las cargas que se tienen en cuenta en la red de distribución son de tipo residencial (RES) o industrial
(IND) con las curvas de carga que se muestran en la Figura 3.
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(A) (B)
FIGURA 3 - CURVAS DE CARGAS CONSIDERADAS: (A) RESIDENCIAL (B) INDUSTRIAL
Adicionalmente se consideran las siguientes tecnologías de generación distribuida fotovoltaica (PV),
eólica (WT), pila de combustible (FC), cogeneración (CHPFC y CHPD) y almacenamiento en baterías
(BATT) con las curvas de carga que se muestran en la Figura 4.
FIGURA 4 - CURVAS DE GENERACIÓN DE LOS DISTINTOS GENERADORES DISTRIBUIDOS (EÓLICA, FOTOVOLTAICA Y
COGENERACIÓN) Y ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS.
Adicionalmente se ha incluido un enlace asíncrono compuesto por tres convertidores en fuente de
tensión que son capaces de regular la potencia activa y reactiva intercambiada por los alimentadores de
media tensión. En el bus de continua de dicho enlace asíncrono podría llevarse a cabo la recarga de
vehículos eléctricos (EV) de una forma concentrada.
En la actualidad esta red está en proceso de montaje en el laboratorio del Departamento de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad de Sevilla. En la Figura 5 se puede el progreso del montaje realizado. En la
parte superior de la figura se observa la red a escala montada sobre bandejas perforadas y en la parte
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inferior los armarios que contienen los convertidores que simularán las cargas y generaciones del
sistema.
FIGURA 5 – RED A ESCALA MONTADA EN EL LABORATORIO
En la Figura 6 se observa una imagen superior de la red a escala montada en el laboratorio. En esta
imagen se pueden diferenciar claramente los elementos que simulan los cables de un tendido aéreo.
Cada línea esta simulada mediante su resistencia y su inductancia.
FIGURA 6 – VISTA SUPERIOR DE LA RED A ESCALA
Las cargas y generaciones en la red mostrada en este apartado se van a emular mediante VSCs en una
configuración multiterminal. Esta configuración consiste en que el control del bus de continua lo realiza
un convertidor superior. El resto de convertidores se conectan a este bus de continua y por lo tanto no
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tienen que controlar la tensión del bus de continua, permitiendo un funcionamiento con dos grados de
libertad. Debido a este funcionamiento, los VSCs que emulan las cargas y generaciones podrán controlar
tanto la potencia activa como reactiva.
1.4. Objetivos del proyecto fin de master
El objetivo fundamental de este Proyecto Fin de Master es realizar el diseño, simulación y control de los
convertidores electrónicos de potencia que realizarán la emulación de las cargas, generadores y
dispositivos de almacenamiento energético que se dispondrán en cada uno de los nudos de la red a
escala. Para ello se siguen una serie de pasos que se describirán a lo largo del contenido del proyecto:
Diseño y simulación del algoritmo de control. Se ha realizado un control clásico en ejes d-q que
ha sido simulado en la plataforma Matlab-Simulink.
Validación experimental del algoritmo de control mediante una plataforma de control en
tiempo real. Dicha plataforma es SpeedGoat, la cual consta de una serie de tarjetas de
entrada/salida que serán analizadas posteriormente. De forma adicional, ha sido necesario
desarrollar unas tarjetas de control adicionales para evitar algunos problemas que se han
detectado en el proceso de arranque y puesta en funcionamiento del dispositivo y que ponían
en riesgo a los convertidores utilizados.
Validación experimental del algoritmo de control mediante DSP. Una vez validado el algoritmo
de control se ha procedido a implementar dicho algoritmo en una plataforma DSP autónoma. La
principal ventaja de este paso es la enorme reducción de costes que provoca el cambio de
plataforma de control. Para ello ha sido necesario desarrollar una placa de adaptación de
señales y seguridad algo más compleja que el equipo en tiempo real mencionado anteriormente
y que será analizada posteriormente.
El diseño finalmente desarrollado será replicado para cada uno de los VSCs utilizados en la red de
distribución a escala de laboratorio.