25/08/2014

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Operación de una μ-red

ESCUELA DE VERANO DE POTENCIA UdeG 2014 

GENERACIÓN DISTRIBUIDA

(Cambio en el sector eléctrico)

Separación de actividades(transporte, generación,

distribución …)

Este marco da lugar a un nuevo Este marco da lugar a un nuevoparadigma:

LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD PASA DE

CONCENTRARSE EN GRANDES INSTALACIONES

CENTRALIZADAS A INTEGRARSE DE FORMA DISTRIBUIDA EN LA RED

ELÉCTRICA RETO TECNOLOGICO, NECESIDAD de I+D

GENERACIÓN DISTRIBUIDA PROBLEMA : Efectos no deseados en la calidad de la energía, en la seguridad de los equipos y las personas y en la protección del sistema eléctrico. DIFICULTAD EN LA OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS, QUE SE INCREMENTA NOTABLEMENTE EN SISTEMAS AISLADOS

SOLUCIÓNGestión inteligente de la generación, almacenamiento y de la demanda

Herramientas:• Gestión de la demanda• Modelos avanzados de• Modelos avanzados de

predicción meteorológica• Almacenamiento de la energía• TIC• Electrónica de Potencia

GENERACIÓN DISTRIBUIDA Hacia un nuevo concepto de Red: SMARTGRIDS

Los elementos claves:• Microrredes• Redes inteligentes• Interconexiones para crear una superred.

En este escenario las microrredesdistribuyen electricidad en función de lademanda local , a redes inteligentesequilibrando la demanda en una región, ysuperredes operando para transportargrandes cantidades de energía entre zonas.Los tres tipos de sistemas se complementan einterconectan entre sí.

Definición de microred

• Las redes inteligentes son fundamentalmente importantes en las redes de electricidad de hoy en día para satisfacer la demanda creciente; la generación renovable, intermitente y distribuida; y las presiones ambientales. Las micro redes son una parte integral de esta transformación pero como en todas las transformaciones, hay retos y oportunidades.

Definición de Microred

• Para el 2020, alrededor de 50 millones de dispositivos de varias clases podrían estar potencialmente conectados unos a otros. Dado que hay ya 6 billones de teléfonos móviles en el mundo, aun esta cifra puede ser conservativa. Las redes de electricidad serán el fundamento de esta constelación de micro redes, suministrando potencia prácticamente a todos los otros componentes de una forma u otra y explotando las nuevas posibilidades que ofrece el estado‐del‐arte, la información eficiente y las tecnologías de comunicación. La suma de estas posibilidades a menudo es lo que significan las palabras redes inteligentes (smart grids) y consiste en el manejo óptimo de toda la energía a través del sistema mediante la coordinación de las micro redes. Las definiciones varían pero hablando ampliamente, la red inteligente se utiliza para describir las redes de electricidad que tienen comunicación y capacidades de flujo de potencia bidireccional a través de las fuentes de la generación (convencionales y renovables) y los consumidores.

CONCEPTO DE MICRORRED 1/2

Microrred eléctrica/térmica

CERTS → Agregación de cargas ymicrogeneradores que opera como unsistema único proveyendo energía eléctricay térmica.

Microrred eléctrica

Sistema eléctrico de pequeño tamañoconectado a un sistema eléctrico mayor quefunciona de forma independiente:• Fuentes de Generación/almacenamiento

eléctrico/térmico cercanos a las cargas.• Control para la gestión de la energía que

en ella se produce.• Puede funcionar de forma aislada.

«RED DE DISTRIBUCIÓN ACTIVA»

CONCEPTO DE MICRORRED 2/2

«RED DE DISTRIBUCIÓN ACTIVA»Porción de la Red de Distribución que integrafuentes de generación a la red adquiriendo un altogrado de control mediante:

• Los inversores y generadores aportanregulación primaria.

• Controlador principal de la microrred envíaconsignas a los generadores para recuperar lafrecuencia y el reparto de la carga (regulaciónsecundaria)

RED DE TRANSPORTE

G G

AT

GD C C

Alm

C

GD

Alm

GeneradorDistribuido

Almacenamiento

Carga

Interruptor

MICRORRED

RED DE TRANSPORTE

G G

AT

GD C C

Alm

C

GD

Alm

GeneradorDistribuido

Almacenamiento

Carga

Interruptor

MICRORRED

No se especifica si la conexión es en BT o MTNo se fijan límites de potencia

Diferencias principales entre una Microrred y Planta Convencional:• Las plantas generadoras son mucho más

pequeñas.• La energía generada a tensión de distribución

puede ser inyectada directamente en la red dedistribución de la compañía eléctrica.

• Los microgeneradores se instalan cerca de lospuntos de consumo así que las cargas(eléctricas/térmicas) se alimentan eficientementea tensión y frecuencia satisfactoria y mínimaspérdidas en las líneas.

µRED

GD C C

µREDµRED

C µRED

GD C C

µRED

MT

BT

RED DE DISTRIBUCIÓN

GD

BTBT

µRED

GD C C

µREDµRED

C µRED

GD C C

µRED

MT

BT

RED DE DISTRIBUCIÓN

GD

BTBT

La Configuración de Microgrid Típica

Una configuración típica de una Microgrid se muestra en la siguientefigura. Consiste de cargas eléctricas y EDs conectadas a través de una red dedistribución de bajo voltaje.

CED CED CED

CED CED CED

PCF

PCFPCF

TE

DB

DB

CC

I2 I3 I4

I5

I6 I7 I8

I1CM - Control MicrogridPCF - Panel celdasfotovoltaicasTE - Turbina eólicaCC - Celda de combustibleDB - Dispositivo de bateríasCED - Controlador de EDI - Interruptor

Bus

Mic

rogr

id 2

20 v

Transformador23kv/ 220 v

MICROGRID

CM

La Microgrid puede operar en 2 modos:Conectada a la red &  Modo independiente. 

La operación y administración de la Microgrid en diferentes modos es controlada y coordinada a través de CED locales y el CM, cuyas funciones son las siguientes:Controlador de EDs ó CED. La función principal del CED es controlar el flujo de potencia y el voltaje final de carga de los GDs de forma independiente en respuesta a cualquier cambio en cargas o disturbios. Aquí “independiente” significa sin comunicación con el CM.El CED también participa en la planeación de los recursos y la administración y rastreo de las cargas, a través de controlar los dispositivos de baterías. También asegura que el GD rápidamente reajuste su generación para alcanzar su carga que le corresponde, al haber los cambios entre modo independiente y conectada a la red de la Microgrid.

• Control de la Microgrid

El CM ejecuta el control general de la operación y protección de la Microgrid a través de los CEDs. Sus objetivos son:• Mantener los voltajes y frecuencias especificados en las cargas finales a través de dispositivos de control.

• Asegurar la optimización energética de la Microgrid• Proveer de coordinaciones de protección e informar acerca de la potencia y voltaje requeridos para todos los CEDs.

• El CM está diseñado para operar en modo autónomo, con equipo para la intervención manual cuando sea necesario.

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Aumento Disponibilidad: MICROREDES• El sistema tendrá miles de microislas• Las microredes tendrán su propia 

generación (AC‐DC)• Las microredes se pueden desconectar 

basadas en condición de red o tarifa. Reconexión por decisión del consumidor

• Transición de  generación a carga en forma dinámica

• Se requiere automatismos para gestionar este tipo de red

• Necesidad de coordinación central

ISLAS1…..n

MICROREDES

INTERCONEXIONES

G L

Incremento de uso de energías

alternativas

Intermitencia inherente de

las cargas

Problemas de integración

Oportunidades:Aplanar la curva de carga a partir de almacenamiento de energía, usando energías renovablesReducir los esfuerzos sobre la transmisiónDiseñar nuevos servicios auxiliares o complementarios de generaciónArbitraje sano de precios

ALGUNOS RETOS PARA LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS

21

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

LunesMartesMiércolesJuevesViernesSábadoDomingo

Curva de demanda real

22

Demanda

Ind. Manufacturera

47.0%

Minas y canteras 18.4%

Servicios Sociales13.2%

Comercio 7.8%

Transporte 6%

Otros 7.7%

Demanda Regulada

67.7%

Demanda No Regulada

32.3%

Gestion de la Demanda (I)

23

• Cambiar los hábitos de consumo de forma que se aplane la curva de carga

– Requerimos el doble de capacidad para menos del 10% del tiempo

– Beneficios de reducción de capacidad instalada, reducción de reserva de generación

• Consumir con eficiencia, electrodomésticos eficientes 

‐ energy star☺

Monitoreo del Consumo• Como va a ser el portal del usuario?• Que elementos tendrá para el 

manejo bidireccional de energía?• Que tan eficaz será en incentivar la 

participación del usuario final?

24

Eficiencia en el consumo = Cambio en el negocio

http://www.p3international.com/products/special

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EJEMPLO KILL‐A‐WATT

Assess how efficient appliances are.  

Count consumption by the KWh

Calculate electrical expenses by the day, 

week, month, year. 

Checks quality of power monitoring 

Voltage, Line Frequency, and Power 

Factor. 

VA 0.2% Accuracy

Advertisement: “Empowers you to save 

$100's on electric bills!” 

Problemas asociados

• Alta Variabilidad viento tanto en proporción como en tasa de cambio!

• Mismo problema por la alta variabilidad de la energía solar.

• Soluciones: Almacenamiento de energía + control de carga del consumo

34

MW en Texas

Nuevos tipos de demanda

600 MW

800 MW

1000 MW

1200 MW

1400 MW

1600 MW

1800 MW

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Año 2020 Año 2020 + PHEV

Chevy Volt ® - 201116 kWh/día (2 kW x 8 Horas)

Los Autos Eléctricos Híbridos Recargables (PHEV) son una realidad.

Se empieza a borrar la línea entre electricidad y otros energéticos.

Se hace más evidente que la Electricidad no es una fuente de energía, es un transportador de energéticos.

Algunos números sobre el impacto en el sistema de potencia en una ciudad como Medellín (8,000 MW – 1,800 MW)

Media Penetración (2018) – 10,000 autos

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Almacenamiento de Energía: Dependencia de la variable tiempo

• El análisis de los sistemas de potencia es fundamentalmente dedicado al estado estacionario: “fotografía instantánea” basada en potencia.

• El almacenamiento de energía tiene implícita la dependencia del tiempo: un nodo puede inyectar o extractar energía dependiendo del tiempo y las condiciones operativas

• Decisiones en un momento en particular dependen del tiempo: similar a un problema de despacho

• El almacenamiento de energía puede tener respuesta variable (pocos segundos a varias horas tales como bombeo, baterías de PHEV, etc.) 

Información en Tiempo Real

Plug-in Electric Vehicles

Distributed Energy

Resources

Fuente: NIST Smart Grid Standards Roadmap Project Goals, April 23, 2009

Que se necesita supervisar y controlar

2. TERTIARY CONTROL OPTIMIZATION PROBLEM 27

whereKRA

is the economic penalty whose value has been tested with different valuesby a sensitivity analysis as will be explained in Chapter 5. This term minimizes

the energy amount missing to have a fully charge at each period t ∈ UEV

.

2.2. Power balance constraint. To ensure a balancing between generated en-ergy, storage and load, the following constraints are essentials.

pW

t + pPV

t + pMT

t + pEV d

t + pSd

t + pIb

t = dC

t + dSH

t + pEV c

t + pSc

t + pIs

t , t ∈ T

On the left hand side of the balance equation are the variables associated with thegenerated power by micro−wind turbine, PV module and micro−gas turbine, thedischarged power from the storage device or EV battery and the purchased powerto the grid. On the right hand side appears the variables associated with requiredpower by the load, both storage and EV batteries and the sold surplus power tothe grid.

2.3. Mathematical Formulation. Due to the size of the tertiary control opti-mization problem, a summary of the formulation is shown below:

Min (1) Objective Function: minimize overall cost

s.t.

(2) microgrid balance

(3− 8) Storage device constraints

(9− 14) EV constraints

(15− 16) Shiftable demand constraints

(17− 18) Critial and adjustable demand constraints

(19− 23) MT contraints

(24− 25) Interconnection point constraints

(26) Wind power constraints

(27) Solar power constraints

Finally, the mathematical formulation is presented.

gnom

.upc

.edu

/her

edia

28 4. THE MICROGRID CENTRAL CONTROLLER OPTIMIZATION PROBLEM

Min

|T |∑t=1

CMTu

eMT

t + CMTd

aMT

t + ∆CMT

pMT

t +

+

|T |∑t=1

∆(CI2

(pIb

t + pIs

t ) + CI1

(pIb

t − pIs

t ))

+

|T |∑t=1

∆(CSd

pSd

t + CEV d

pEV d

t +KA

dA

t ) (1)

s.t. pW

t + pPV

t + pMT

t + pSd

t + pi,bt = dC

t + dSH

t + pEV

t pSc

t + pIs

t t ∈ T (2)

NS

SOCS

t = NS

SOCS

t−1 + (pSc

t

ec− edp

Sd

t )∆ t ∈ T\{1} (3)

SOCs1 = SOCs0(pSc

1

ec− edp

Sd

1 )∆ (4)

SOCs|T | = SOCsF (5)

ld ≤ SOCst ≤ lu t ∈ T (6)

pSd

t ≤ P̄Sd

xS

t t ∈ T (7)

pSc

t ≤ P̄Sc

(1− xS

t ) t ∈ T (8)

NEV

SOCEV

t = NEV

SOCEV

t−1 + (pEV c

t

ec− edp

EV d

t )∆ t ∈ UEV

(9)

NEV

SOCEV

t = NEV

SOCEV

t−1 −DEV

t t ∈ T\UEV

(10)

NEV

SOCEV

1 = NEV

SOCEV

0 + PEV

0 (11)

SOCEV

t ≤ SOCEV ≤ 1 t ∈ T (12)

pEV c

t ≤ P̄EV

xEV

t t ∈ UEV

(13)

pEV d

t ≤ (1− xEV

t )P̄EV

t ∈ UEV

(14)

dSH

t =

|L|∑l=1

DSH

l xSH

t−l+1 t ∈ T (15)

|T |−|L|+1∑t=1

xSH

t = 1 (16)

dct + dat = DC

t t ∈ T (17)

dat ≤ fA

DC

t t ∈ T (18)

gnom

.upc

.edu

/her

edia

CONCLUSION

• Teniendo en cuenta las restricciones técnicas impuestas por lacreciente necesidad de la generación distribuida y una mayorexigencia en la calidad del suministro, el concepto de microrred sepresenta como una solución potencial al problema de la altapenetración de renovables en las redes convencionales.

• Hay todavía un importante trabajo en I+D por delante: estudiosteóricos, simulaciones, pruebas en laboratorio y proyectos piloto.

• Se están realizando grandes esfuerzos para desarrollar normativa ylegislación específica para la operación de las microrredes.legislación específica para la operación de las microrredes.