Micro Grids de Voltaje DC Regulable en Baja Tensión con Fuentes Renovables y Convencional

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1 Micro Grids de Voltaje DC Regulable en Baja Tensión con Fuentes Renovables y Convencional Jorge Luis Mírez Tarrillo * Carlos Javier Solano Salinas ** * Ingeniero Mecánico Electricista * Tesista Maestría en Física * Unidad de Mantenimiento. Hospital General I José Soto Cadenillas. Chota. Minsa. * ** Facultad de Ciencias / Centro de Tecnologías de la Información y Computación CTIC * ** Universidad Nacional de Ingenieria Resumen El crecimiento en el consumo de energía a nivel mundial y la disminución en la disponibilidad a futuro de combustibles convencionales, ha servido de sustento para el incremento del uso de fuentes de energía alternativas renovables, además del mejoramiento y/o surgimiento de nuevas tecnologías de almacenamiento de energía. Por años, su aplicación a nivel de uso domiciliario se ha dado incialmente implementado a nivel de cada casa (kit módulo energía renovable unifamiliar). Sin embargo, la tendencia es la de contar con pequeños sistemas eléctricos Microgrids los cuales alimenten a varios usuarios, una pequeña comunidad o pueblo, en el que se use de mejor manera todos los recursos energéticos renovables disponibles (solar, eólica, biomasa) y, añadiendo a estas, tecnologias noveles como celdas de combustible, volantes de inercia, etc. Se describe el planteamiento de una nueva forma de implementación de Microgrids bajo un bus DC regulable en dos niveles de voltaje alimentado por energias renovables (solar, eólica, célula de combustible, baterías, biomasa) más una fuente convencional de bus AC acoplada al bus DC mediante un rectificadores de onda completa, el cual tiene como finalidad el usar las redes eléctricas existentes o el seguir parecidos procesos a los actuales de cálculo de redes eléctricas, así mismo, incrementar la capacidad de conducción y de facilidad de acoplamiento entre diferentes redes de distribución. Se ha considerado que las fuentes de energía renovable posee un funcionamiento que depende de factores ambientales que cambian aleatoriamente. Las cargas eléctricas se alimentan a través de inversores. El voltaje del bus DC es regulado en base a la demanda de energía eléctrica. Un sistema de monitoreo y control de la microgrid permite evaluar voltajes y corrientes en cada parte de la microgrid y realizar operaciones de mando, recolección de datos y gestión de energía; sin embargo, la finalidad es determinar una forma de autofuncionamiento en situaciones normales y de falla. Se ha trabajado en Matlab Simulink y C++. Estos estudios van dirigidos a poder implementarse en la forma actual de distribución eléctrica en baja tensión, así como, un llamado a fabricantes de convertidores, reguladores e inversores. El tema se viene desarrollando como parte de la Tesis de Maestría en Física del Autor en la Universidad Nacional de Ingeniería UNI. Introducción En las últimas decadas, la industria eléctrica está experimentando un cambio fundamental desde el tradicional patrón de operación centralizada hacia la introducción de una gran cantidad de fuentes generadoras conectadas a niveles de distribución de Media Tensión. En los últimos años la tendencia se mueve hacia las mallas (Grids) de Baja Tensión entre 200V a 100V, a través de las interconexiones de pequeñas fuentes modulares de generación eléctrica (microplantas), Esto forma un nuevo tipo de

2 sistemas de potencia eléctrica, llamados MicroGrid. Las fuentes de generación usadas en las MicroGrid, puede ser calificadas de dos tipos: generación de energías renovables conocidas y pequeños generadores basados en las nuevas tecnologías. Combustibles fósiles y centrales hidroeléctricas, han sido usados como los principales fuentes generadoras de energía por mucho tiempo. Pero, debido a las muchos problemas relacionados con las plantas de potencia: como por ejemplo: emisiones de CO2 y SO2, calentamiento global, crisis de energía, etc.; las fuentes renovables, nuclear y de hidrógeno se espera que sean las fuentes de energía que substituirán a los combustibles fósiles. Con fuente de energía renovables nos referimos a la energía derivada de diversas formas de procesos naturales. A menudo se deriva del sol o el calor dentro de la tierra e incluye la energía solar, eólica, biomasa, ecotérmica, hidroeléctrica y los recursos oceánicos. Durante los últimos años, la tecnología y la producción de energía renovable han mejorado, y por lo tanto, se utilizan para la producción de electricidad en mayor escala. 3. El valor de la intensidad de corriente es proporcional al consumo realizado por las cargas usuarias. Al incrementarse el consumo de las cargas, la corriente crece de manera proporcional, con la consiguiente incremento del valor de la caída de tensión. 4. En corriente alterna salvo haya la sincronización adecuada, no es posible internonectar dos circuitos de distribución que salen de diferente transformador. Está conección entre alimentadores puede ser dada para abastecer la demanda, por falla en o reducción de la capacidad de transmisión del otro transformador. 5. El diseños de MicroGrids se tienen diferentes circuitos de fuerza de ac y dc, así como para datos. 6. Debido a la conexión tipo árbol desde los transformadores de distribución, las mayores caídas de tensión se observan en los extremos de cada circuito de distribución. 7. Mayores pérdidas eléctricas debido a la corriente alterna en comparación con la corriente continua. Planteamiento del Problema El trabajo se ha fozalido en tratar de enfrentar bajo diferente ópica los siguientes problemas: 1. La sincronización que debe de haber entre diferentes generadores de energía conectados a un mismo bus. 2. La disminución de la capacidad de conducción de energía eléctrica de los circuitos en corriente alterna frente a la conducción bajo tensión conitnua. 8. Selección de conductores de mayor calibre en caso de necesitar mayor capacidad de conducción, ó en caso no se realice esto, una mayor caída de tensión, sobrecarga en circuitos derivados y mayores pérdidas eléctricas. 9. La generación de campos electromagnéticos tanto en funcionamiento normal como en el caso de averías. 10. La necesidad de conducción de varios conductores según el tipo de conexión (monofásico y trifásico).

3 11. Flicker, armónicos propios de un sistema de corriente alterna. 12. Elevadas corriente de cortocircuito principalmente debido a las elementos del sistema eléctrico colocados líneas arriba del punto donde se produce la falla, esto se conoce en el cálculo convencional como potencia de cortocircuito. eólica se ha determinado entre 50KW a 80KW. A efectos de facilitar al lector la comprensión del presente trabajo se asume el siguiente diagrama de carga: 13. No disponibilidad de almacenamiento directo de la energía eléctrica, debido a que la transmisión es en ac y el almacenamiento es en DC. 14. Muchos de los procesos en las MicroGrids de las que se tiene conocimiento, se basa en equipos y componentes electrónicos. Propuesta de Solución El tema que se describe, está en investigación utilizando software Matlab/Simulink. Una de las primeras configuración de la MicroGrid en que se trabajó se muestra en la figura sgte. Fig Nº 2: Diagrama de Carga. Cuando haya exceso en el generación de energía renovable y considerando que las baterías están ya cargadas, el sobrante de energía se deriva hacia el elemento de biomasa considerado en el circuito (sea este un biodigestor o un relleno sanitario productor de abono y gas metano) con la finalidad de aumentar la temperatura en la biomasa y acelerar sus procesos internos. La MicroGrid propuesta, necesita de inversores de potencia a nivel de los usuarios, su amplio uso propone una reducción progresiva de costos de producción y de venta. Fig Nº 1: Primer Modelo Propuesto de MicroGrid La forma de trabajo de la fuente solar y las baterías se describe más adelante. El generador eólico propuesto consiste de dos generadores conectados en serie mecánicamente y en serie / paralelo eléctricamente según sea la necesidad de voltaje y corriente de la MicroGrid. La potencia nominal de la fuente de generación Hay un o varios (según el diseño) puntos de ingresos de la red convencional hacia la MicroGrid, la energía alterna es convertida a continua a través de bancos de rectificadores de onda completa con sus respectivos elementos para aplanar la forma de la onda. Tanto la generación eólica, solar y biomasa, considera generar la cantidad suficiente de energía para una buena cantidad de usuarios, ya que lo que se pretende utilzar es la mayor cantidad posible de las fuentes primarias de energía renovables localizadas en la ciudad o pueblo en estudio y de la

4 materia orgánica producida por la población involucrada. Al sistema de MicroGrid propuesto se le puede agregar diferentes elementos noveles de almacenamiento de energía, como son los volantes de inercia, supercondensadores. 3. Al proponer un sistema de corriente continua con dos o más niveles de tensión, la corriente circulante a través de los conductores se mantendrá en un valor reducido en función a como varíe el voltaje vs demanda de energía eléctrica. Los volantes de inercia son aún caros pero se prevee a futuro reducción de costos ya que tienen el beneficio de gran durabilidad, fiabilidad y reducido mantenimiento durante su vida útil de funcionamiento. Los supercondensadores y ultracondensadores se han considerado como elementos que suplen de energía momentaneamente a las cargas durante el cambio de voltaje, a fin de evitar sobrevoltajes, armonicos, flickers y ruido en los conductores. Frente a los problemas mencionados, lo propuesto se sustenta en lo sgte: 1. La necesidad de sincronización es eliminada por la utilizacion de un bus de corriente continua, la que al no tener frecuencia, permite que el intercambio de flujo de energía se establezca debido a la diferencia de potencial que se da a la salida de los diferentes generadores de electricidad. Los cálculos de flujo de potencia se simplifican. Tambien se añade la ventaja de la DC en el aislamiento eléctrico y el peligro de electrocución de las redes en AC. 2. Al proponer un sistema de corriente continua, los conductores tienen una mayor capacidad de conducción de corriente, debido a no presencia de frecuencia, efecto pelicular. Esto debido a la utilización de toda la sección transversal del conductor en DC, respecto a la AC en donde la energía circula hacia los alrededores del conductor. Fig. Nº 3: Intensidad de corriente método convencional y propuesto. 4. La interconexión entre dos circuitos es más fácil de realizar bajo un bus DC, para lo cual sólo es necesario pocos componentes electromecánicos o electrónicos, que determinen la diferencia de voltaje entre ambos circuitos a conectar para determinar la posibilidad de interconexión. El PCC lleva consigo elementos que permitan disminuir la generación de anomalidades en los parámetros de régimen. 5. En la MicroGrid propuesta, se pretende utilizar los mismos conductores de fuerza del bus DC como medios por donde se transmita la información de recopilación de datos de los diferentes sensores en la MicroGrid. 6. Una MicroGrid en DC, permite configurar la topología de conexión de los diferentes circuitos en diferentes maneras con la finalidad de compensar las pérdidas de voltaje que se producen cuando se tiene una configuración tipo árbol desde las subestaciones. Configuración anular es posible bajo este procedimiento, entendiendo que en los

5 sistemas de distribución en pueblos y ciudades, la distribución de calles y viviendas haría posible tal arreglo con los beneficios correspondientes en voltaje y energía, ya que se suple las cargas por varias trayectorias. manera, asegurar un buen desempeño no sólo a 220 Vrms que es lo convencional, sino llegar hasta niveles de tensión próximos a los 1000 Vdc. La calidad del aislamiento es fundamental para implementar este tipo de MicroGrid. 7. Las pérdidas eléctricas en una MicroGrid en bus DC son principalmente debidas a efecto Joule. Si a esto se añade la posibilidad de cambiar de voltaje en función a la demanda del bus DC, hace que haya una mayor reducción de las pérdidas eléctricas. Fig Nº 6: Programa para cálculo de conductores hecho en Matlab Fig Nº 4: Cálculo de Pérdidas Eléctricas método convencional vs propuesto. 9. Dado que la generación de campos electromagnéticos es debido a la variación de la intensidad de corriente en el tiempo, en el sistema propuesto, los campos electromagnéticos serán dados principalmente en función a la corriente necesaria para atender a las cargas, considerando. Fig Nº 5: Caídas de Voltaje y Pérdidas por Efecto Joule 8. En la MicroGrid propuesta, al ser el bus tipo DC y además, tener los voltajes que se pueden seleccionar, los conductores sólo deben cumplir los estándares de calidad para desempeño en los niveles de voltaje de baja tensión, de esta 10. Un bus DC da la posibilidad de reducir conductores necesarios para la transmisión de energía. La iluminación puede tener en cada juego de luminaria lámpara la opción de encendido automático, dado que los costos en dispositivos electrónicos cada vez se reducen. Sin embargo, cada MicroGrid debe ser estudiada para determinar la cantidad de conductores necesarios en función a la demanda, la distribución de las cargas, la proyección a futuro, estudio de máxima demanda, etc. 11. Ciertamente, que algunos componentes electrónicos serán necesarios para el funcionamiento del tipo de MicroGrid propuesta, pero en todos los casos, se

6 están estudiando la influencia en flicker y armónicos en la MicroGrid de los equipos y elementos electrónicos. 12. Debido al tipo de fuentes renovables que estamos incluendo, los niveles de potencia de cortocircuito serán mucho menores que en el caso de una red alterna convencional, en donde por lo general, se toma de valor infinito la red grande desde donde se provee energía a las subestaciones 13. Por lo general para el almacenamiento desde bus AC, se utilizan cargadores de baterias, convertidores dc/ac, inversores dc/ac. Siendo el bus AC en el voltaje adecuado, la carga de baterías se haría con la ayuda de elementos electrónicos limitadores de corriente, ya que en este caso de baterías, estas se conectarían en serie parelelo en función a como se va comportando el voltaje de la red. Esta misma idea se puede considerar para el caso de los paneles solares. Un diagrama ilustrativo de esta idea se muestra a continuación. Fig Nº 7: Instalación de Paneles Solares para Disposición de Conexión Serie Paralelo. El arreglo descrito en la Fig. Nº 7, permite la conexión en serie y/o paralelo para obtener un ajuste en el voltaje de la MicroGrid. 14. El modelo propuesto busca reducir al máximo la cantidad de componentes electrónicos necesarios. Es la intención del presente trabajo, conocer en detalle los procesos físicos involucrados con la finalidad de implementar procesos de mando, control y de comunicación bastante sencillos y poco dependientes de la electrónica. Hay un punto al respecto por considerar, y es que las empresas de generación y distribución de electricidad, pueden conectar en la caja del medidor de los usuarios, equipos que permitan recavar y enviar información relacionada al consumo hecho por cada cliente. Conclusiones 1. Un tipo de MicroGrid propuesta presenta varias ventajas en control de interconección, capacidad de conducción de corriente, entre otras. 2. Da la posibilidad de múltiples configuraciones de interconexión eléctrica para asegurar la disponibilidad de energía eléctrica y voltaje. 3. Exceso de energía puede ser llevado a la red convencional y/o puede utilizarse para abreviar procesos renovables como son la biomasa. 4. Da la posibilidad de un mayor control y mejor mando de la energía eléctrica generada, almacenada, en circulación y la consumida por los clientes. 5. Reducción en campos electromagnéticos 6. Se vislumbra un mejor uso de las fuentes primarias de energías renovables disponibles en un localidad y de la biomasa generada por la población. 7. La forma de trabajo de la MicroGrid da la posibilidad de poder implementar el uso de células de combustible, flywheel, super y ultra condensadores; cuya conexión a la MicroGrid se haría de manera sencilla. Recomendaciones Dado que la tendencia es al uso masivo de las MicroGrid, el cumplir con estándares internacionales es una considerando que se viene trabajando. Además, la necesidad de

7 que en nuestro país, se impulse la creación de normas técnicas relacionadas a aplicaciones de MicroGrids y otras relacionadas a la energías renovables. Por lo tanto, se recomienda el impulso en crear la normativa técnica y otras, que impulse el desarrollo e implementación de dichas tecnologías, teniendo en cuenta que nuestro país será uno de los más afectados por el cambio climático mundial. Dado que la investigación a nivel de los conocimientos y descripción de los fenómenos físicos inherentes a este tipo de sistema, aportan considerablemente en la toma de decisiones, criterios de diseño y de selección de elementos de la MicroGrid; es recomendable seguir el trabajo de investigación básica, añadiendo software como Autocad Electrical, PSCAD / EMTDC, entre otros, que nos permitan un mejor conocimiento de las configuraciones que se vienen simulando. Dado que las tecnologías en renovables estñan en constante mejora, se recomienda tener en cuenta en los diseños y selección, materiales de reciente desarrollo con mejor desempeño. Por ejemplo, en la Fig. Nº 8, se muestra los desarrollos en células fotovoltaicas. ellos considerando el desarrollo de los circuitos de mando y control de fuerza, mas la captación, envío, procesamiento de información que los parámetros de régimen y del sistema. Se recomienda al lector comprender que parte del trabajo es: describir y comprender los procesos físicos involucrados y, en base a ellos, plantear soluciones para un mejor funcionamiento y control de la MicroGrid, con poca utilización de componentes y elementos electrónicos, en resumen, la dependencia tecnológica debe ser la mínima posible. Bibliografia Mírez Tarrillo, Jorge Luis. Modelamiento, Diseño, Control y Simulación de una MicroGrid alimentado por Fuentes Renovables y Convencional. Tesis para optar el grado de Master en Física [en desrrollo]. Asesor: Dr Carlos Javier Solano Salinas. Facultad de Ciencias. Universidad Nacional de Ingeniería Fig Nº 8: Desarrollo de células fotovoltaicas Se recomienda hacer el estudio de la MicroGrid considerando tecnologías como las células de combustible, los generadores de hidrógeno, rellenos sanitarios que generan metano, super condensadores, ultra condensadores, flywheel, entre otros; todos