microredes - 1. introducción

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MicroRedes


MicroRedes

1er Bimestre

Introducción (temas 1 y 2): 3 h

Smart Grid (tema 4+ uG Lab): 12h (3h Lab: 1h presentación concepto + 2 presentación práctica)

Gestión energía (tema 3): 6h (3T + 3 P MatLab): Control y Modelos MATLAB

uGrid (Lab) 3h Demos en Laboratorio

Presentación (exámenes): 3h


Qué es una MicroRed ?

El concepto de MicroRed está englobado dentro de lo que se conocecomo Generación Distribuida, GD

• NO existe una definición única, pero se admiten en general lassiguientes características de la GD:

• No está planificada ni gestionada de forma centralizada

• La potencia es normalmente inferior a 50 MW

• Está conectada a las Redes de Distribución

• La GD presenta numerosas ventajas frente a los sistemasconvencionales, tanto desde el punto de vista técnico, comoenconómico y medioambiental


Definiciones de MicroRed

• Una MicroRed es una red inteligente: • Gestión de generación, consumos y sistemas de almacenamiento

• El controlador central de la microred da una respuesta global:• Equilibrio entre generación y demanda internas• Coordinación eficiente de los elementos para dar una respuesta agregada y transparente a la red externa

• El operador ve a la microrred como un único consumidor/generador agregado• Incremento de la penetración de

renovables. Se mejora su gestión y su visibilidad


El CERTS (Consortium for Electric Reliability Technology Solutions) define laMcroRed como una agregación de cargas y microgeneradores operando como unsistem aúnico, que provee tanto de energía eléctrica como de energia térmica.

La EU (VI Programa Marco, MicroGrids) define la MicroRed como un sistema dedistribucion en Baja Tensión que incluye Fuentes de Generación Distribuida conCargas Conectadas, combinadas con Sistemas de Almacenamiento de Enegía,que puede ser operado tanto en modo no autónomo (la Red Eléctricaproporciona las consignas de tensión y frecuencia) como en modo autónomo (laMicroRed genera sus propias consignas a través de sus generadores ysistemas de almacenamiento)

La operación de una MicroRed de estas características proporciona beneficiosglobales al Sistema Eléctrico si se gestiona y coordina de forma eficiente.

Definiciones de MicroRed


Estructura de MicroRed (CERTS)


Estructura de MicroRed (EU)

• Hierarchical structure to guarantee a robust operation:

• The MGCC (MicroGrid Central Controller, the first hierarchical level) is installed on the side ofthe medium voltage/low voltage (MV/LV) substation connected to low voltage line (LV). Its functionis to carry out a high level management of the MG operation by means of technical andeconomical functions.

• The micro-source controllers (MC) that control, obviously, the micro-sources and the energystorage systems.

• The MGCC establishes the most adequate technical and economical policies to achieve, andfixes the correct set points for MCs, which regulate the production levels of real and reactivepower of the micro-sources.


Estructura de MicroRed (CERTS)

This configuration increases the system’sreliability in comparison with centralizedapproaches:

• if the energy manager suffers ashutdown, the CM continuesoperative because the power andvoltage controllers employ the lastset point given by the energymanager before its failure.

Other difference with the EU microgridproject proposal is the plug-and-playoption, which supposes more simplicityto connect sources and loads to the MG,but more complexity in each devicebecause a level of intelligence is needed.


Oportunidades de Mercado para MicroRedes

• Eficiencia energética

• Reducción de emisiones

• Incremento de la penetración de la EERR

• Reducción del coste energético

• Incremento de la seguridad de suministro y participación en servicios auxiliares

• Minimización de las pérdidas eléctricas


Benefits of the Micro Grids

• Improve the reliability of the power supply, possibly at a lower cost.

• The technology can be effectively used for combined heat and power applications.

• It reduces the transmission power loss

• It reduces the environmental impact

• Energy diversification

• It can support network voltage


Topologias de MicroRedes

Una microrred se puede configurar a través de 3 topologías:

• AC. Todos los elementos se conectan a un mismo bus AC para llevar a caboel intercambio de energía entre ellos. Este bus se conecta en un único punto con lared eléctrica lo que permite la interacción con la misma. Dentro de la microrred serealiza una distribución de energía eléctrica en AC

• DC. La distribución de la energía dentro de la microrred se hace en continua.Todos los elementos de la microrred se conectan a un mismo bus DC y este seconecta a la red eléctrica a través de un convertidor DC/AC. Las cargas AC sealimentarían a través de un convertidor

• Mixta. En este caso coexisten dos buses: uno DC unido a la red eléctrica conun convertidor AC/DC y otro AC que seria la propia red eléctrica. Los diferenteselementos se pueden conectar en función de sus características al bus DC o AC


MicroRed AC


MicroRed DC


MicroRed Mixta


Sistemas de Generación

• Motores de combustión alterna: Estas máquinas queman combustibles fósilescon el objeto de obtener energía mecánica a partir de energía química. Lospistones hacen girar el eje de un generador para convertir la energía mecánica enenergía eléctrica. Los motores pueden ser del tipo de ignición por chispa,consumiendo gas natural, propano o gasolina, o bien de ciclo diesel, quemando eneste caso combustible diesel o aceite pesado.

El generador eléctrico que accionan es generalmente de tipo síncrono, estandodirectamente acoplado a la red de distribución en el caso de sistemas de granpotencia.

• Turbinas de gas: Al igual que los motores de combustión interna, las turbinas degas mezclan combustibles fósiles junto con aire, con el objetivo de crear energíatérmica. Los gases procedentes de la combustión a alta temperatura y altapresión, se expanden en la turbina permitiendo la conversión de la energíacalorífica en energía mecánica por medio del giro del eje de la turbina. Elacoplamiento entre el eje de la turbina y el del generador se realiza por medio deengranajes reductores. Al igual que en el caso de motores de combustión interna,si se trata de sistemas de elevada potencia, el generador está directamenteacoplado a la red.



• Microturbinas: Su principio de funcionamiento es similar al de las turbinas degas. Estos dispositivos pueden funcionar con una amplia variedad de combustiblestales como gas natural, gasolina, diesel, keroseno, nafta, alcohol, propano, metano,etc. Las microturbinas comerciales emplean habitualmente gas natural como primercombustible. Disponen de un generador de imán permanente girando a altavelocidad (80.000 rpm típicamente), generando corriente alterna a muy altafrecuencia. Estos generadores no pueden ser conectados directamente a la red dedistribución por lo que su salida debe conectarse un inversor que rectifique primeroesta tensión de alta frecuencia, generando después una señal alterna compatiblecon la red de distribución eléctrica.

• Pilas de combustible: Estos elementos generan electricidad y agua a partir dela reacción química entre hidrógeno y oxígeno. Hay varios tipos disponibles (ácidofosfórico, óxido sólido, y membrana de intercambio).Las pilas de combustible generan energía eléctrica en corriente continua que debeser transformada en alterna mediante un inversor.

• Sistemas fotovoltaicos: Transforman la energía solar en energía eléctrica.Producen electricidad en corriente continua, y al igual que en el caso de la pilas decombustible, debe conectarse un inversor a su salida.



• Sistemas eólicos: Los sistemas de generación eólicos transforman la energíadel viento en energía eléctrica. Existen tres tecnologías distintas:

• Generador de inducción, en el cual turbina eólica está directamenteconectada al eje de de un generador de inducción con rotor tipo jaula,conectado a la red de distribución directamente (sin inversor). Este tipo degenerador necesita aporte de potencia reactiva para trabajar, pudiendo seraportada por la red de distribución o por condensadores conectadas a la salidadel generador. No pueden generar potencia reactiva.

• Generador de inducción asíncrono doblemente alimentado. Estosdispositivos están conectados a la red de distribución mediante un inversor.

• Generador síncrono de imán permanente. Proporciona energía eléctrica con frecuencia variable con la velocidad del viento. Un inversor de corriente es conectado a la salida, haciendo de interfaz entre el generador y la red.


Sistemas de Almacenamiento

Las tecnología de almacenamiento de energía, se clasifican en función de la energíatotal almacenada, el tiempo y el transitorio requerido para su operación. Estosdispositivos permiten mejorar el funcionamiento del sistema eléctrico de varias formas.Permiten en primer lugar trabajar a los generadores en régimen constante a pesar delas posibles fluctuaciones en la carga. En segundo término, pueden hacer frente avariaciones en las fuentes de energía primaria cuando estas no son gestionables (sol,viento,..). Por último, permite considerar al conjunto de generadores-almacenamientocomo una única unidad con capacidad de generación predecible.

Dos son los principales dispositivos de almacenamiento de energía en Microredes:• Sistemas de baterías: Almacenan energía eléctrica en forma de energíaquímica. Son fuentes de corriente continua por lo que es necesario el empleo deun inversor para la generación de corriente alterna.

• Sistemas flywheel (volante de inercia): Una de sus principales característicases la rápida respuesta en comparación con los sistemas de almacenamientoquímicos. Un motor eléctrico hace girar el volante, proporcionando energía alsistema, al cual está acoplado un generador para convertir la energía cinética eneléctrica. Este generador está conectado a un inversor que hace de interface conla red de distribución.


ES Systems

ESS: General Overview


Mechanical Energy Storage: Flywheels

Principle: Energy is stored in the form of Mechanical Energy.

Energy density = 0.05MJ/Kg, η=0.8 => To integrate into mechanical systems where arelatively high power output is required for a short time on short notice.

V, is the linear/circular velocity of the flywheel σ is the specific strength of a material

ρ is the density of the material

Light weight fiber composite materials areused to increase efficiency.

Examples: There are a number of data centers that usethe low rpm flywheels to store energy. In thecase of a electrical failure the flywheelprovides about 20 seconds of power to thefacility while the diesel generator starts up.This could be used to store energy in all sortsof places.Flywheel technology has its place in storing energy for backup generators, and smoothing energy conversion: space system, low earth orbits, hybrid electric vehicles, power quality

events, ….

2E 1V

m 2


Components: - a rotor,

- the rotor’s bearings, and - an electrical motor or generator to transfer energy.

The rotor makes use of its low friction bearings to rotateat high RPMs creating rotational kinetic energy. This isharnessed and transferred to an electrical motor orgenerator, which make the exact efficiency (from eddycurrents) of the process. Current research tries toimprove efficiency by analyzing frictional losses andmaximizing the power transfer.

The rotor disc requires much attention to detailin design due to friction and rotationalorientation. To correct drifting from rotationalaxis vibrations, magnets are used to increasesystem stability.



Flywheel battery structure

Typical mechanical batteries consist of a high speed inertial composite rotor, magnetic bearingsupport and control system, integral drive motor/generator, vacuum support housing and containment,compact heat removal and exchangers, instrumentation monitoring and control, and power electronicsfor electrical conversion.

- Low speed flywheel: maximum rpm under 10,000- High speed flywheels may have rpm's much greater than 10,000

Low speed flywheels may be very dense and large and can deliver a large amount of power for a short period of time. These designs are ideal for emergency backup power sources.

A high speed flywheel is generally lighter and smaller and may produce usable work or electrical energy for hours but in smaller quantities than a low speed type.



Flywheel battery structure

Typical mechanical batteries consist of a high speed inertial composite rotor, magnetic bearingsupport and control system, integral drive motor/generator, vacuum support housing and containment,compact heat removal and exchangers, instrumentation monitoring and control, and power electronicsfor electrical conversion.

- Low speed flywheel: maximum rpm under 10,000- High speed flywheels may have rpm's much greater than 10,000

Low speed flywheels may be very dense and large and can deliver a large amount of power for a short period of time. These designs are ideal for emergency backup power sources.

A high speed flywheel is generally lighter and smaller and may produce usable work or electrical energy for hours but in smaller quantities than a low speed type.



Proper hardware and control algorithm allow a flywheel to operate in both charge and dischargemode. Charge mode is used to store additional electric energy (for instance, those generated by thesolar arrays on a spacecraft during insolation). During charge mode, the flywheel spins up to store theadditional electrical energy as rotational mechanical energy. Discharge mode is used when theflywheel provides the power to the load. During discharge mode, the flywheel spins down to releasethe stored rotational energy.

The algorithm is based on careful control of the permanent magnet electrical motor/generator that isattached to the flywheel. In charge mode, a constant dc charging current command is provided to theflywheel system. This command is converted into an appropriate ac current command into the motor,and the flywheel spins up

Flywheel Charge/Discharge Control

In discharge mode, the flywheel system must maintainthe dc bus voltage regulation in addition to supplyingthe load current. This is accomplished bycommanding an ac current from the motor that isrelated to the current required by the load and themeasured dc bus value. If the dc bus voltage starts todrop, the current drawn from the motor and thedeceleration of the flywheel increases. If the dc busvoltage starts to rise, the current drawn from the motorand the deceleration of the flywheel decreases. In thismanner, the flywheel system can provide thenecessary current to the load while maintaining the dcbus voltage.


Cargas en la MicroRed

Las cargas en una MicroRed pueden clasificarse en función del nivel de control que setiene sobre ellas:

• Cargas controlables: Son aquellas que pueden recibir consignas del ControlCentral de Microred, de forma que en determinadas situaciones en la que laestabilidad de la microred esté comprometida, pueda disminuir su consumo o inclusodesconectarse completamente.

• Cargas no controlables: Son aquellas que no aceptan consignas del sistema decontrol, por lo que su consumo es arbitrario

En cualquier caso, la mayor parte de las cargas conectadas a una MicroRed debenpoder ser desconectadas por el control central de la MicroRed, bien de formaindividual o en grupos.


Sistemas de Control de la MicroRed

En relación a una MicroRred, se identifican tres niveles de control jerárquicos entre sí:

• Control de Microgenerador: Usa información local de la red de baja tensión para controlar latensión y la frecuencia de la microred en situaciones en las que la zona de influencia delmicrogenerador está temporalmente desconectada del resto de la microred. En condicionesnormales de funcionamiento, sigue las consignas que le envía el Sistema de Control Central de laMicrored (nivel de control inmediatamente superior). Tiene sin embargo, capacidad de optimizar lapotencia activa y reactiva que genera, además de realizar un seguimiento rápido de la evolucióndel consumo de las cargas cuando la microred funciona aislada de la red de distribución.

• Control Central de Microred: Este nivel de control es responsable de la optimización de laoperación de la microred. A la vez que recibe consignas del DMS de la red de distribución, tieneacceso a los precios de mercado de la energía eléctrica. Usa estos datos para determinar lacantidad de energía que la microred debe tomar de la red de distribución eléctrica, optimizando lacapacidad de generación. El control central envía señales de control a los microgeneradores y alas cargas controlables, haciendo que la cargas no críticas se desconecten cuando seanecesario.

• Distribution Magement System (DMS): Es el sistema de control que gestiona la red de mediatensión a que está conectada la microred. Envía información acerca del estado de la red dedistribución de media tensión para que el Control Central de Microred pueda enviar consignas asus microgeneradores


Sistemas de Control de la MicroRed


Operación en Conexión a la Red de Distribución

En condiciones normales de funcionamiento, una microred estará conectada a la red dedistribución eléctrica. En esta situación no es necesario que toda la energía demandadapor las cargas sea producida por los generadores de la microred ya que el desfase entregeneración y consumo será cubierto por la energía que fluye a través del punto deconexión.

La MicroRed podrá ser vista como un pequeño generador o como una carga en funciónde si la generación es mayor o menor que la energía demandada por las cargas. Cuandola microred trabaja conectada a la red de distribución, el sistema de control tiene comoobjetivo la disminución de coste de la energía para los consumidores que están asociadosa ella.

Para ello, usa la generación local cuando es económicamente rentable, disminuyendo lacantidad de energía que toma de la red.

Desde el punto de vista de la red de distribución, este comportamiento es el másadecuado, ya que tiende a aplanar la curva de demanda. Esto es debido a que enmomentos de elevado consumo, cuando el precio de la energía es mayor, la microredtiende a autoabastecerse disminuyendo la energía que toma de la red de distribución


Operación en Modo Aislado

Una de las más importantes ventajas de la implantación de la generación distribuida y laagrupación de pequeños generadores y cargas, en microrredes es la posibilidad de limitarla afectación a los clientes ante un fallo en la red de transporte o distribución.

Como se ha comentado, una microred estará habitualmente (modo normal de operación)conectada a la red de distribución. Sin embargo, ante un fallo en esta red, es posiblepasar al modo de emergencia en que la microred se desconecta, pasando a trabajar deforma autónoma.

Una vez detectado un problema en la red de distribución, se tratará siempre de que ladesconexión se realice de la forma más transparente posible para las cargasconectadas.

Si no es posible aislar la microred con éxito y el suministro queda afectado, se pone enmarcha un procedimiento automático con el objetivo de restaurar el servicio de formaindependiente de la red de distribución.

Una vez conseguido este objetivo y en una fase posterior, una vez que la red dedistribución vuelve a estar operativa, el sistema que conforma la microred procederá asincronizarse con ella para a continuación volver al modo normal de operación, en el quela conexión microred-red MT está establecida.


Puntos clave del control de la MicroRed

Cuestiones clave que son parte de la estructura MicroGrid incluyen la interfaz, elcontrol y la protección de cada microgeneador, así como el control de tensión, elcontrol del flujo de potencia, la carga compartida durante el modo “islanding”, laprotección, y la estabilidad de la MicroRed en todo su rango de operación.

La capacidad de la MicroGrid para funcionar conectada a la red, así como sutransición suave hacia y desde el modo aislado es otra función importante.

La MicroRed asume tres funciones críticas que son únicas en esta arquitectura:

• Controller del Microgenerador. El controlador de potencia y tensión juntocon el microgenerador proporciona una respuesta rápida a las perturbaciones ylos cambios de carga sin depender de comunicaciones externas.

• Administrador de Energía. Proporciona el control operativo mediante elenvío de las consignas de potencia y tensión para cada controlador demicrogenerador. El tiempo respuesta de esta función se mide en minutos.

• Protección. La protección de una MicroRed en el que las fuentes dealimentación están interconectadas mediante electrónica requiere solucionesúnicas para proporcionar la funcionalidad requerida, no únicamente eléctricas.


El Administrador de Energía prevé el funcionamiento del sistema de la MicroGrid através del envío de las consignas de energía y de tensión ajustadas a cadacontrolador de microfuente.

Esta función podría ser tan simple como la entrada a mano mediante un técnicode estos puntos en cada controlador, a tan compleja como establecer un sistemade comunicación con inteligencia artificial para la toma de decisiones.

Los valores reales de consigna de P y V dependen de las necesidades operativasde la microrred. Algunos criterios posibles son:

• Asegurar que el calor y la energía eléctrica requerida por las cargas es

suministrada por las microfuentes;

• Asegurar que la MicroRed satisface los contratos operativos con el

proveedor de energía a granel;

• Reducir al mínimo las emisiones y / o las pérdidas del sistema;

• Maximizar la eficiencia operativa de las microfuentes

Administrador de Energía


• Microgrid control in grid connected and islanded mode (i.e., autonomousmode)

• Transient and steady state power sharing amongst different DG sources(inertial and non-inertial)

• Power management with dispatchable and nondispatchable DGs

• Microgrid protection in both grid connected and islanded modes ofoperation

Operational Challenges

microredes - 1. introducción

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