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1 REPORTE DE FICHA MÍNIMA CONVOCATORIA Y MODALIDAD CONVOCATORIA DEL PROGRAMA NACIONAL DE PROYECTOS PARA EL FORTALECIMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN, LA CREACIÓN Y LA INNOVACIÓN EN POSGRADOS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Modalidad 2: Nuevos proyectos de investigación, creación o innovación ANEXO I INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO Código del proyecto Título Resumen Modelado y Control Distribuido de Microrredes DC Este proyecto es la primera etapa del proceso de diseño y construcción de un prototipo de microrred a corriente continua (DC) que integrará un gasificador y unos paneles solares que ya posee el grupo de investigación PAAS. A través de esta microrred se podrán realizar una extensa cantidad de pruebas que permitirán estudiar la viabilidad de la futura implementación real de microrredes DC de baja tensión como alternativa en los sistemas de distribución. En esta primera fase se pretende realizar el modelado teórico y los algoritmos fundamentales para el control distribuido de voltaje tanto en el barraje como en los diferentes puntos de conexión de elementos como son los generadores distribuidos o las diferentes cargas. En términos generales se pretende desarrollar dos tipos de control, a saber: uno directamente relacionado con los dispositivos conectados a través de conversores DC-DC y por otro lado el sistema de control que mantiene el nivel de tensión en el barraje principal así como la conexión/desconexión con el sistema eléctrico principal (a través de un inversor AC-DC). También se tendrán en cuenta los flujos de potencia presentes en la red. El problema de la coordinación de múltiples inversores conectados en paralelo, sumado a la dificultad de realizar un control distribuido por frecuencia cuando hay múltiples agentes, al igual que la complejidad de los modelos y los problemas de eficiencia del AC, incentivan la investigación en el campo de la distribución en DC. Una microred DC tiene ventajas al integrar generadores distribuidos tales como Celdas fotovoltaicas (PV), generadores eólicos o celdas de combustible puesto que estos elementos entregan su energía en corriente directa. En el caso de los generadores eólicos que producen corriente alterna, está siempre tiene que ser rectificada y de nuevo regulada en AC para poder cumplir con los requerimientos de la red. De igual forma, prácticamente todos los dispositivos y máquinas que se usan como cargas residenciales o industriales son alimentados en DC con el uso de rectificadores. Desde este punto de vista la implementación de una red de distribución en DC disminuye las pérdidas por conversión en todos los puntos. Si a esto se suma que pueden conectarse bancos 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 1 de 7

2 Investigador principal Documento de identificación Correo electrónico Teléfono Dirección de correspondencia de baterías o supercondensadores para almacenar la energía en DC, las ventajas se hacen aún mayores. Encontrar soluciones a los problemas de control de microrredes DC tendrá un gran impacto en la manera tradicional en la que se distribuye y utiliza la energía eléctrica, pues permitirá crear microrredes de muy alta eficiencia optimizadas para ser compatibles con el uso de energías renovables y sistemas de almacenamiento local. EDUARDO ALIRIO MOJICA NAVA INVESTIGADORES Nombres y apellidos Dedicación (horas semana) Tipo Unidad NOMBRE CATEGORÍA EN COLCIENCIAS PROGRAMA DE INVESTIGACION SOBRE ADQUISICION Y ANALISIS DE SEÑALES PAAS-UN CATEGORIA A Objetivo general OBJETIVOS Y RESULTADOS Modelar y diseñar un sistema de control distribuido para un prototipo de microrred DC de baja tensión. Objetivos específicos Elaborar un modelo de la Microrred de distribución en DC incluyendo equipos de generación distribuida, equipos de conversión y cargas del sistema. Diseñar un sistema de control distribuido para los elementos que componen la microrred (Cargas, Generadores, Conexión a Red de suministro). Analizar por medio de simulación el desempeño del esquema de control jerárquico. Resultados esperados Algoritmos de control distribuidos para un prototipo de microrred DC con la capacidad de integrarse a la red principal Modelos teóricos para análisis de comportamiento de un prototipo de microrred DC Herramienta computacional para la simulación de un prototipo de microrred DC Formación de al menos 3 estudiantes de maestría en el área de las microrredes 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 2 de 7

3 PRODUCTOS ACADÉMICOS NÚMERO PRODUCTO CANTIDAD 1 Artículos sometidos a revisión en revista indexada. 2 2 Estudiante en formación Maestría 3 DEPENDENCIA Maestria Ingenieria Electrica Enfasis en Potencia Bogotá DEPENDENCIAS RELACIONADAS AREA DE RESPONSABILIDAD Programa 2- Maestria Automatizacion Industrial Programa de estudios CLASIFICACIÓN Y DURACIÓN DEL PROYECTO Área de la ciencia principal Ingeniería y tecnología Área de la ciencia secundaria Ingeniería y tecnología Objetivo socioeconómico Energía Meses 12 Palabras clave CONTROL AUTOMÁTICO ENERGÍAS RENOVABLES MICRORREDES PALABRAS CLAVE Definición del Problema INFORMACIÓN ESPECÍFICA DEL PROYECTO Ante el nuevo paradigma de gestión de la energía que trae consigo la inminente llegada de las redes eléctricas inteligentes, se presentan las microrredes como el concepto fundamental para su implementación. Dentro de las diferentes categorías que se han presentado para el desarrollo de las microrredes, claramente se tienen las microrredes a corriente alterna (AC) y las microrredes a corriente directa (DC). Las investigaciones preliminares así como los prototipos que se han realizado se han enfocado extensivamente a las microrredes AC, ya que es la forma como tradicionalmente están implementados los sistemas de distribución. Pero los sistemas de distribución en AC han tenido una serie de limitaciones que podrían ser superadas con la implementación de sistemas de distribución en DC. Pero para poder aprovechar las ventajas de ofrecen dichas redes, deben ser resueltos varios retos técnicos, entre los 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 3 de 7

4 Definición del Problema cuales se encuentra el control de los sistemas conversores de energía. El problema de la coordinación de múltiples inversores conectados en paralelo, sumado a la dificultad de realizar un control distribuido por frecuencia cuando hay múltiples agentes, al igual que la complejidad de los modelos y los problemas de eficiencia del AC, incentivan la investigación en el campo de la distribución en DC. Una microred DC tiene ventajas al integrar generadores distribuidos tales como Celdas fotovoltaicas (PV), generadores eólicos o celdas de combustible puesto que estos elementos entregan su energía en corriente directa. De igual forma, prácticamente todos los dispositivos y máquinas que se usan como cargas residenciales o industriales son alimentados en DC con el uso de rectificadores. Desde este punto de vista la implementación de una red de distribución en DC disminuye las pérdidas por conversión en todos los puntos. Si a esto se suma que pueden conectarse bancos de baterías o supercondensadores para almacenar la energía en DC, las ventajas se hacen aún mayores. El control de una microred en DC tiene particularidades que requieren de la búsqueda de nuevos métodos puesto que su contraparte AC se ha tratado históricamente como un problema de acople de frecuencia y tensión para controlar la potencia. Adicionalmente se enfrentan desafíos en cuanto a la implementabilidad de estos sistemas y como hacerlos compatibles con los esquemas de distribución existentes. Se ha establecido que no debería existir un componente único que sea un controlador central que administre a los demás agentes de la red, sino que cada uno debe ser capaz de seguir reglas de control individuales de tal manera que se asegure el desempeño. Por último debe implementarse un esquema que permita desconectar y conectar un generador distribuido o una carga en cualquier punto de la microred, en cualquier momento, y esta debe mantener la estabilidad del sistema. Generalmente, se han desarrollado varios métodos de control para las microrredes AC, pero al tratar de extenderlos directamente a los requerimientos de una microrred en DC existen problemas específicos que no han sido abordados tales como la medición y repartición de la carga del sistema, los efectos en DC de las impedancias de la red, las características locales de los convertidores DC/DC conectados, las dinámicas de los elementos de generación distribuida y de almacenamiento y los efectos sobre la red de suministro. Sumado a esto, el problema del control distribuido que permita que todos los elementos conectados a la microrred puedan actuar independientemente para regular su aporte en potencia y mantener la tensión del PCC, está completamente abierto. Encontrar la solución a este problema tendría un gran impacto en la manera tradicional en la que se distribuye y utiliza la energía eléctrica, pues permitirá crear microrredes de muy alta eficiencia optimizadas para ser compatibles con el uso de energías renovables y sistemas de almacenamiento local. Articulación de los proyectos: Este proyecto es la primera etapa del proceso de diseño y construcción de un prototipo de microrred a corriente continua (DC) que integrará un gasificador y unos paneles solares que ya posee el grupo de investigación PAAS. A través de esta microrred se podrán realizar una extensa cantidad de pruebas que permitirán estudiar la viabilidad de la futura implementación real de microrredes DC de baja tensión como alternativa en los sistemas de distribución. En esta primera fase se pretende realizar el modelado teórico y los algoritmos fundamentales para el control distribuido de voltaje tanto en el barraje como en los diferentes puntos de conexión de elementos como son los generadores distribuidos o las diferentes cargas. Se espera tener al menos tres proyectos de maestría relacionados con el tema del diseño y conceptualización de las microrredes DC, así como de sus sistemas de control. En particular se puede relacionar un proyecto para los controles distribuidos de la microrred, otro proyecto para realizar los modelos teóricos de los componentes principales de la microrred y finalmente otro proyecto podría estar relacionado con la gestión energética o comportamiento de las cargas. Por otro lado, estos temas están directamente relacionados con uno de los nuevos temas de investigación del grupo de investigación PAAS-UN, como es la implementación de redes eléctricas inteligentes a través de la gestión de microrredes, por lo tanto la presente propuesta es pertinente para las actividades del grupo de investigación y para los programas de posgrado en ingeniería eléctrica a nivel de maestría y doctorado. 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 4 de 7

5 Metodología/Estratégias La metodología a seguir durante el proyecto tiene tres ejes temáticos. Estudio de microrredes DC. En esta primera fase se seguirá un método de investigación crítico, en el cual se proponen límites al conocimiento de las diferentes microrredes DC desarrolladas hasta la fecha. Se realiza un estudio de las principales topologías desarrolladas hasta la fecha, considerando los pros y contras en el contexto de las microrredes DC en comparación con las microrredes AC. Se hace una revisión de literatura completa en revistas especializadas internacionales de alto impacto en los últimos 5 años, también conferencias relacionadas con el tema, bases de datos, revistas indexadas, memorias de eventos académicos, procediendo a realizar una clasificación de toda la información por ejes temáticos dependiendo los tipos fundamentales de topologías, entendiendo las diferentes herramientas de modelado de conversores, que permitan representar los múltiples agentes que conforman una microrred, anticipar sus decisiones y medir sus efectos sobre el sistema de potencia. Se seguirá también un modelo de estudio en cascada incremental, en el cual se espera que a medida que avance el estudio, ir construyendo pequeños modelos en la herramienta de simulación MATLAB/Simulink, de los diferentes componentes de la microrred DC, aumentando a medida que el estudio avance la complejidad y la dimensión de estos modelos. Luego de realizar diversas simulaciones con varias topologías, se seleccionará un pequeño conjunto de candidatas, las cuales se pondrán a prueba en un modelo de microrred DC, en la cual se probarán varios conversores del mismo tipo conectados en paralelo con diferentes configuraciones de carga. Con esto se obtiene un modelo completo para simular microrredes DC. Estudio de Estrategias de Control en Microrredes DC. Luego de realizar el estudio de las topologías y de definir el modelo más adecuado para el contexto de las microrredes DC, se procede a realizar el estudio de las estrategias de control distribuido en el contexto de las microrredes DC. Este estudio sigue también un método crítico sobre las diferentes alternativas de control en microrredes DC. Se realiza entonces una revisión bibliográfica cuidadosa en revistas especializadas internacionales de alto impacto en los últimos 5 años, también conferencias relacionadas con el tema, bases de datos, revistas indexadas, memorias de eventos académicos, procediendo a realizar una clasificación de toda la información por ejes temáticos dependiendo de las diferentes estrategias de control aplicadas a microrredes DC. Después de realizada la revisión de literatura, se procede siguiendo un método constructivista para el desarrollo de las nuevas estrategias de control, tanto para los inversores/conversores como para el control distribuido de microrred, ambos trabajando de forma coordinada. Este método constructivista seguirá un modelo en cascada incremental, en el cual se van construyendo las hipótesis sobre la estrategia de control para el inversor/conversor de forma individual, luego se sube de nivel en la arquitectura propuesta para proponer una estrategia de control jerárquico de microrred, el cual se coordina con la del inversor/conversor para incorporar más de un modelo. En este momento es donde se utiliza la herramienta computacional desarrollada en la fase anterior para validar las estrategias propuestas considerando la alta penetración de generadores distribuidos interconectados a través de conversores. Análisis de Soluciones. A través de las herramientas para simulación desarrolladas en las fases anteriores, se realiza la implementación de todo el modelo de microrred DC con toda la estructura de control jerárquica para validar a través de simulación las estrategias de control propuestas. Finalmente, la metodología de divulgación de resultados se basa en presentar a conferencias tanto nacionales como internacionales los resultados, luego se someten a revistas. También hay reportes técnicos. Consideraciones Éticas Este proyecto desarrollará ideas originales producto del trabajo de investigación y tendrán en cuenta todas las normas sobre el correcto modelo de citación del trabajo que sea usado de otros autores. El proyecto no tiene otro tipo de consideraciones éticas diferentes a las propias del desarrollo de una investigación teórico práctica en ingeniería eléctrica. ACTIVIDADES Y CRONOGRAMA 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 5 de 7

6 Descripción actividad Mes inicial Duración Revisión del estado del arte de las diferentes estrategias de control que se han empleado en los inversores/conversores y de las microrredes DC Desarrollo de una estrategia de control para los inversores/conversores en generación distribuida en una microrred DC Desarrollo de la estrategia de control jerárquico para microrred DC considerando la coordinación con el del inversor/conversor Análisis de resultados de las simulaciones, proceso iterativo de mejorado del modelo de simulación HIL Implementación en la herramienta de simulación de todo el sistema incluyendo las estrategias de control Redacción de artículos para revistas 5 7 Presentación en el seminario de investigación 1 11 Redacción de reportes de avance 2 11 INFORMACIÓN FINANCIERA Fuente de financiación Valor UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA $ GASTOS DEL PROYECTO RUBRO VALOR VIGENCIA (Años) DESCRIPCIÓN Equipos ,00 1,00 Equipos para la primera fase de modelado y diseño de los controles: (1) portátil de alto rendimiento para 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 6 de 7

7 RUBRO VALOR VIGENCIA (Años) DESCRIPCIÓN simulaciones, (1) tarjeta de adquisición avanzada NI, (1) Tarjeta de Desarrollo de Sistemas Digitales en FPGA Digilent ATLYS, (1) Montaje de barraje DC Barras de cobre, aisladores, conectores, (1) Conversor DC-DC Materiales ,00 1,00 Papelería, fotocopias, cables y componentes electrónicos menores Valor Total del Proyecto ,00 NOMBRE DEL ARCHIVO ADJUNTO Carta_proyectoDIBpostgrados_Dic2013.pdf IEEESMC_MMQ_2013Earlyview.pdf Archivos adjuntos Yo, EDUARDO ALIRIO MOJICA NAVA, investigador principal del proyecto Modelado y Control Distribuido de Microrredes DC declaro: Conozco los términos de referencia de la Convocatoria CONVOCATORIA DEL PROGRAMA NACIONAL DE PROYECTOS PARA EL FORTALECIMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN, LA CREACIÓN Y LA INNOVACIÓN EN POSGRADOS DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Que junto con todos los participantes de este proyecto aceptamos y cumplimos todos los requisitos estipulados en los términos de referencia y renunciamos a cualquier reclamación por ignorancia o errónea interpretación de estos documentos EDUARDO ALIRIO MOJICA NAVA RESPONSABLE DEL PROYECTO 16/09/ :40 Proyecto: Pág. 7 de 7

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