Microrred

Una microrred es una red eléctrica local con límites eléctricos definidos, que actúa como una entidad única y controlable. Es capaz de funcionar en modo conectado a red y en modo isla. Una 'microrred independiente' o 'microrred aislada' solo funciona fuera de la red y no se puede conectar a un sistema de energía eléctrica más amplio. Las microrredes muy pequeñas se denominan nanorredes.

Un microgrido conectado a la red normalmente funciona conectado y sincronizado con la red de área ancha tradicional (macrórido), pero es capaz de desconectar de la red interconectada y funcionar autónomamente en "modo de tierra" como las condiciones técnicas o económicas dictan. De esta manera, mejoran la seguridad del suministro dentro de la célula microgrid, y pueden suministrar energía de emergencia, cambiando entre la isla y los modos conectados. Este tipo de rejillas se llaman 'microgridos isleños '.

Una microrred independiente tiene sus propias fuentes de electricidad, complementadas con un sistema de almacenamiento de energía. Se utilizan cuando la transmisión y distribución de energía desde una importante fuente de energía centralizada está demasiado lejos y es costosa de operar. Ofrecen una opción para la electrificación rural en zonas remotas y en islas geográficas más pequeñas. Una microrred independiente puede integrar eficazmente varias fuentes de generación distribuida (GD), especialmente fuentes de energía renovables (RES).

El control y la protección son dificultades para las microrredes, ya que todos los servicios auxiliares para la estabilización del sistema deben generarse dentro de la microrred y los bajos niveles de cortocircuito pueden ser un desafío para el funcionamiento selectivo de los sistemas de protección. Una característica importante también es satisfacer múltiples necesidades de energía útil, como calefacción y refrigeración además de electricidad, ya que esto permite la sustitución de portadores de energía y una mayor eficiencia energética debido a la utilización del calor residual para calefacción, agua caliente sanitaria y refrigeración (uso de energía intersectorial). ).

Definiciones

El Grupo de Intercambio de Microrredes del Departamento de Energía de los Estados Unidos define una microrred como "un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos dentro de límites eléctricos claramente definidos que actúa como una única entidad controlable con respecto a la red". Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para permitirle operar tanto en modo conectado a la red como en modo isla”.

El laboratorio de Berkeley define: "Un microgrido consiste en generación de energía y almacenamiento energético que puede alimentar un edificio, campus o comunidad cuando no está conectado a la red eléctrica, por ejemplo en caso de desastre". Un microgrido que se puede desconectar de la red de utilidades (en el 'punto del acoplamiento común' o PCC) se llama un ' microgrid islandable'.

Un proyecto de investigación de la UE describe una microrred que comprende sistemas de distribución de baja tensión (BT) con recursos energéticos distribuidos (DER) (microturbinas, pilas de combustible, energía fotovoltaica (PV), etc.), dispositivos de almacenamiento (baterías, volantes) de energía. Sistema de almacenamiento y cargas flexibles. Estos sistemas pueden funcionar conectados o desconectados de la red principal. La operación de microfuentes en la red puede proporcionar beneficios para el rendimiento general del sistema, si se gestiona y coordina de manera eficiente.

Electropedia define una microrred como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos, que forman un sistema de energía eléctrica local en niveles de voltaje de distribución, es decir, tanto de baja como de media tensión hasta 35 kV. Este grupo de nodos consumidores y productores asociados actúa como una única entidad controlable y puede operar en modo isla o conectado a la red.

Una microrred independiente o una microrred aislada, a veces denominada "red insular", solo funciona fuera de la red y no puede conectarse a un sistema de energía eléctrica más amplio. Suelen estar diseñados para islas geográficas o para electrificación rural. En muchos países no industrializados, las microrredes que se utilizan para proporcionar acceso a la electricidad en zonas que antes no estaban electrificadas suelen denominarse “minirredes”. Las nanorredes pertenecen a una única vivienda o edificio y a la interconexión de múltiples nanorredes formando una red (microrred), facilitando el reparto de energía entre nanorredes individuales.

Entorno del campus/microrredes institucionales

El objetivo de las microrredes de campus es agregar la generación existente en el sitio para soportar múltiples cargas ubicadas en un área geográfica estrecha donde un propietario puede administrarlas fácilmente.

Microrredes comunitarias

Las microrredes comunitarias pueden atender a miles de clientes y respaldar la penetración de la energía local (electricidad, calefacción y refrigeración). En una microrred comunitaria, algunas casas pueden tener algunas fuentes renovables que puedan satisfacer su demanda y la de sus vecinos dentro de la misma comunidad. La microrred comunitaria también puede tener un almacenamiento de energía centralizado o varios distribuidos. Dichas microrredes pueden tener la forma de una microrred de CA y CC acopladas entre sí a través de un convertidor electrónico de potencia bidireccional.

Microrredes remotas fuera de la red

Estas microrredes generalmente no están diseñadas ni destinadas a conectarse a la macrorred y, en cambio, funcionan en modo isla. en todo momento por cuestiones económicas o de posición geográfica. Normalmente, un sistema "fuera de la red" La microrred se construye en áreas que están muy alejadas de cualquier infraestructura de transmisión y distribución y, por lo tanto, no tienen conexión a la red pública. Los estudios han demostrado que operar en un área o islas remotas es un problema. Las microrredes fuera de la red, en las que predominan fuentes renovables, reducirán el costo nivelado de la producción de electricidad durante la vida útil de dichos proyectos de microrredes. En algunos casos, las microrredes fuera de la red se incorporan a una red nacional o "macrored", un proceso que requiere planificación técnica, regulatoria y legal.

Grandes áreas remotas pueden ser abastecidas por varias microrredes independientes, cada una con un propietario (operador) diferente. Aunque estas microrredes están diseñadas tradicionalmente para ser autosuficientes energéticamente, las fuentes renovables intermitentes y sus variaciones inesperadas y bruscas pueden provocar una escasez inesperada de energía o una generación excesiva en esas microrredes. Sin almacenamiento de energía y controles inteligentes, esto provocará inmediatamente una desviación inaceptable de voltaje o frecuencia en las microrredes. Para remediar tales situaciones, es posible interconectar dichas microrredes provisionalmente a una microrred vecina adecuada para intercambiar energía y mejorar las desviaciones de voltaje y frecuencia. Esto se puede lograr a través de un interruptor basado en electrónica de potencia después de una sincronización adecuada o una conexión espalda con espalda de dos convertidores electrónicos de potencia y después de confirmar la estabilidad del nuevo sistema. La determinación de la necesidad de interconectar microrredes vecinas y encontrar la microrred adecuada para acoplarse se puede lograr mediante enfoques de optimización o toma de decisiones.

Debido a que las microrredes remotas fuera de la red suelen ser pequeñas y construirse desde cero, tienen el potencial de incorporar las mejores prácticas del sector eléctrico global e incorporar e impulsar la innovación energética. Ahora es común ver microrredes remotas fuera de la red alimentadas en gran medida con energía renovable y operadas con controles inteligentes a nivel del cliente, algo que no siempre es fácil de implementar en el sector energético en general debido a los intereses actuales y a una infraestructura más antigua y preexistente. .

Microrredes de base militar

Estas microrredes se están implementando activamente centrándose en la seguridad física y cibernética de las instalaciones militares con el fin de garantizar una energía confiable sin depender de la macrorred.

Microrredes comerciales e industriales (C&I)

Estos tipos de microrredes están madurando rápidamente en América del Norte y el este de Asia; sin embargo, la falta de estándares bien conocidos para este tipo de microrredes las limita a nivel mundial. Las principales razones para la instalación de una microrred industrial son la seguridad del suministro eléctrico y su fiabilidad. Hay muchos procesos de fabricación en los que una interrupción del suministro eléctrico puede provocar grandes pérdidas de ingresos y un largo tiempo de puesta en marcha. Las microrredes industriales pueden diseñarse para suministrar procesos industriales de economía circular con emisiones (casi) nulas y pueden integrar la generación combinada de calor y energía (CHP), alimentadas tanto por fuentes renovables como por el procesamiento de residuos; El almacenamiento de energía se puede utilizar adicionalmente para optimizar las operaciones de estos subsistemas. Las microrredes también pueden ser ancladas por un gran minorista comercial con una gran cantidad de generación por razones económicas o de resiliencia.

Topologías de microrredes

Se necesitan arquitecturas para gestionar el flujo de energía desde diferentes tipos de fuentes hacia la red eléctrica. Así, la microrred se puede clasificar en tres topologías:

Microrred de CA

Las fuentes de alimentación con salida de CA están conectadas al bus de CA a través de un convertidor de CA/CA que transformará la frecuencia y el voltaje variables de CA en una forma de onda de CA con otra frecuencia y otro voltaje. Mientras que las fuentes de alimentación con salida CC utilizan convertidores CC/CA para la conexión al bus CA.

Microrred CC

En la topología de microrred de CC, las fuentes de alimentación con salida de CC se conectan al bus de CC directamente o mediante convertidores CC/CC. Por otro lado, las fuentes de alimentación con salida CA se conectan al bus CC mediante un convertidor CA/CC.

Microrred híbrida

La microrred híbrida tiene topología para fuente de alimentación de CA y salida de CC. Además, los buses de CA y CC están conectados entre sí a través de un convertidor bidireccional, lo que permite que la energía fluya en ambas direcciones entre los dos buses.

Componentes básicos en microrredes

Generación local

Una microrred presenta varios tipos de fuentes de generación que suministran electricidad, calefacción y refrigeración al usuario. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales: fuentes de energía térmica (por ejemplo, generadores de gas natural o biogás o microcombinación de calor y energía) y fuentes de generación renovable (por ejemplo, turbinas eólicas y solares).

Consumo

En una microrred, el consumo simplemente se refiere a los elementos que consumen electricidad, calor y refrigeración, que van desde dispositivos individuales hasta los sistemas de iluminación y calefacción de edificios, centros comerciales, etc. En el caso de cargas controlables, el consumo de electricidad puede ser modificado según las demandas de la red.

Almacenamiento de energía

En la microrred, el almacenamiento de energía puede realizar múltiples funciones, como garantizar la calidad de la energía, incluida la regulación de frecuencia y voltaje, suavizar la producción de fuentes de energía renovables, proporcionar energía de respaldo para el sistema y desempeñar un papel crucial en la optimización de costos. Incluye todas las tecnologías químicas, eléctricas, de presión, gravitacionales, de volante y de almacenamiento de calor. Cuando en una microrred se encuentran disponibles múltiples almacenamientos de energía con diversas capacidades, se prefiere coordinar su carga y descarga de manera que un almacenamiento de energía más pequeño no se descargue más rápido que aquellos con mayores capacidades. Asimismo, es preferible que uno más pequeño no se cargue por completo antes que los de mayor capacidad. Esto se puede lograr mediante un control coordinado de los acumuladores de energía en función de su estado de carga. Si se utilizan múltiples sistemas de almacenamiento de energía (posiblemente trabajando en diferentes tecnologías) y están controlados por una unidad de supervisión única (un sistema de gestión de energía - EMS), un control jerárquico basado en una arquitectura maestro/esclavo puede garantizar mejores operaciones, particularmente en el modo isla.

Punto de acoplamiento común (PCC)

Este es el punto del circuito eléctrico donde una microrred se conecta a una red principal. Las microrredes que no tienen un PCC se denominan microrredes aisladas y generalmente están presentes en sitios remotos (por ejemplo, comunidades remotas o sitios industriales remotos) donde una interconexión con la red principal no es factible debido a limitaciones técnicas o económicas.

Ventajas y desafíos de las microrredes

Ventajas

Una microrred es capaz de funcionar en modo autónomo y conectado a la red y de manejar la transición entre los dos. En el modo conectado a la red, se pueden proporcionar servicios auxiliares mediante la actividad comercial entre la microrred y la red principal. Existen otras posibles fuentes de ingresos. En el modo isla, la potencia real y reactiva generada dentro de la microrred, incluida la proporcionada por el sistema de almacenamiento de energía, debe estar en equilibrio con la demanda de las cargas locales. Las microrredes ofrecen una opción para equilibrar la necesidad de reducir las emisiones de carbono y seguir proporcionando energía eléctrica confiable en períodos de tiempo en los que no hay fuentes de energía renovables disponibles. Las microrredes también ofrecen la seguridad de estar protegidas contra condiciones climáticas severas y desastres naturales al no tener grandes activos ni kilómetros de cables sobre el suelo y otra infraestructura eléctrica que deba mantenerse o repararse después de tales eventos.

Una microrred puede realizar una transición entre estos dos modos debido a un mantenimiento programado, una calidad de energía degradada o una escasez en la red anfitriona, fallas en la red local o por razones económicas. Al modificar el flujo de energía a través de los componentes de las microrredes, las microrredes facilitan la integración de energías renovables, como la generación fotovoltaica, eólica y de pilas de combustible, sin necesidad de rediseñar el sistema de distribución nacional. También se pueden incorporar métodos de optimización modernos al sistema de gestión de energía de la microrred para mejorar la eficiencia, la economía y la resiliencia.

Desafíos

Microgrids, y la integración de las unidades de recursos energéticos distribuidos en general, introducen una serie de retos operacionales que deben abordarse en el diseño de sistemas de control y protección, a fin de asegurar que los niveles actuales de fiabilidad no se vean afectados significativamente, y se aprovechan plenamente los posibles beneficios de las unidades de Generación Distribuida (DG). Algunos de estos desafíos surgen de hipótesis que normalmente se aplican a sistemas de distribución convencionales que ya no son válidos, mientras que otros son el resultado de problemas de estabilidad que anteriormente se observan sólo a nivel de sistemas de transmisión. Entre los retos más relevantes en la protección y el control de microgridos se encuentran:

• Flujos de energía bidireccional: La presencia de unidades de generación distribuida (DG) en la red a niveles de baja tensión puede causar flujos de energía inversos que pueden conducir a complicaciones en la coordinación de la protección, patrones de flujo de energía indeseables, distribución de fallas y control de tensión.
• Cuestiones relativas a la estabilidad: Las interacciones entre el sistema de control de las unidades DG pueden crear oscilaciones locales, lo que requiere un análisis minucioso de estabilidad de pequeña distancia. Además, las actividades de transición entre los modos de operación conectados a la red e isleños (stand-alone) en un microgrid pueden crear inestabilidad transitoria. Estudios recientes han demostrado que la interfaz microgrid (DC) de corriente directa puede resultar en una estructura de control significativamente más simple, una distribución más eficiente de la energía y una mayor capacidad de carga actual para las mismas calificaciones de línea.
• Modelado: Muchas características de los esquemas tradicionales, como la prevalencia de condiciones equilibradas de tres fases, principalmente líneas de transmisión inductivas y cargas de potencia constante, no necesariamente son verdaderas para los microgridos, y por consiguiente, los modelos deben ser revisados.
• Baja inercia: Los microgridos exhiben una característica de baja inercia que los hace diferentes a los sistemas de energía a granel, donde un gran número de generadores sincronizados asegura una inercia relativamente grande. Este fenómeno es más evidente si hay una proporción significativa de unidades de DG electrónicas de potencia en el microgrido. La baja inercia en el sistema puede conducir a desviaciones de frecuencia severa en el funcionamiento del modo de isla si no se implementa un mecanismo de control adecuado. Los generadores sincronizados funcionan a la misma frecuencia que la cuadrícula, proporcionando así un efecto de amortiguación natural en las variaciones de frecuencia repentina. Los sincronizadores son inversores que imitan generadores sincronizados para proporcionar control de frecuencia. Otras opciones incluyen el almacenamiento de energía de la batería o un volante para equilibrar la frecuencia.
• Incierto: La operación de microgridos implica abordar mucha incertidumbre, que es algo que el funcionamiento económico y fiable de los microgridos depende. El perfil de carga y el clima son dos incertidumbres que hacen que esta coordinación sea más difícil en microgridos aislados, donde el equilibrio crítico de la demanda y las tasas de falla típicamente superiores de los componentes requieren resolver un problema fuertemente acoplado en un horizonte prolongado. Esta incertidumbre es mayor que la de los sistemas de energía a granel, debido al número reducido de cargas y a variaciones muy correlativas de los recursos energéticos disponibles (el efecto promedio es mucho más limitado).

Herramientas de modelado

Para planificar e instalar microrredes correctamente, se necesita modelado de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y herramientas de optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de Adopción del Cliente de Recursos Energéticos Distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Otra herramienta gratuita es Solar Alone Multi-objective Advisor (SAMA), un programa de software de optimización de microrredes de código abierto diseñado para optimizar económicamente el tamaño de los sistemas de energía híbridos (principalmente alimentados con sistemas solares fotovoltaicos) utilizando algoritmos metaheurísticos basados en perfiles de carga específicos y datos meteorológicos. . Otro es HOMER (Modelo Híbrido de Optimización para Múltiples Recursos Energéticos), desarrollado originalmente por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables. También existen algunas herramientas de diseño eléctrico y flujo de energía que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico diseñó la herramienta GridLAB-D disponible públicamente y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) diseñó OpenDSS. Una herramienta europea que se puede utilizar para la simulación de la demanda de calor de procesos, refrigeración, calefacción y electricidad es EnergyPLAN de la Universidad de Aalborg en Dinamarca. La herramienta de planificación de redes de código abierto OnSSET se ha implementado para investigar las microrredes mediante un análisis de tres niveles que comienza con los arquetipos de asentamiento (caso estudiado en Bolivia).

Control de microrredes

En lo que respecta a la arquitectura de control de la microrred, o cualquier problema de control, se pueden identificar dos enfoques diferentes: centralizado y descentralizado. Un control totalmente centralizado se basa en una gran cantidad de transmisión de información entre las unidades involucradas antes de que se tome una decisión en un solo punto. La implementación es difícil ya que los sistemas de energía interconectados generalmente cubren ubicaciones geográficas extensas e involucran una enorme cantidad de unidades. Por otro lado, en un control totalmente descentralizado, cada unidad está controlada por su controlador local sin conocer la situación de los demás. Se puede lograr un compromiso entre esos dos esquemas de control extremos mediante un esquema de control jerárquico que consta de tres niveles de control: primario, secundario y terciario.

Control primario

El control primario está diseñado para satisfacer los siguientes requisitos:

• Para estabilizar el voltaje y la frecuencia
• Para ofrecer la capacidad de plug y play para DERs y compartir correctamente el poder activo y reactivo entre ellos, preferiblemente, sin ningún enlace de comunicación
• Mitigar las corrientes circulantes que pueden causar fenómenos sobre corrientes en los dispositivos electrónicos de energía

El control primario proporciona los puntos de ajuste para un controlador inferior que son los bucles de control de voltaje y corriente de los DER. Estos controles internos Los bucles se denominan comúnmente control de nivel cero.

Control secundario

El control secundario suele tener un tiempo de muestreo de segundos a minutos (es decir, más lento que el anterior), lo que justifica la dinámica desacoplada de los bucles de control primario y secundario y facilita sus diseños individuales. La consigna de control primario está dada por el control secundario en el que, a modo de controlador centralizado, restablece la tensión y frecuencia de la microrred y compensa las desviaciones provocadas por variaciones de cargas o fuentes renovables. El control secundario también puede diseñarse para satisfacer los requisitos de calidad de la energía, por ejemplo, equilibrio de voltaje en buses críticos.

Control terciario

El control terciario es el último (y el más lento) nivel de control, que considera las preocupaciones económicas en el funcionamiento óptimo el microgrido (el tiempo de muestreo es de minutos a horas), y administra el flujo de energía entre microgrid y red principal. Este nivel a menudo implica la predicción del tiempo, tarifa de la red y cargas en las próximas horas o día para diseñar un plan de envío de generadores que logra ahorros económicos. Las técnicas más avanzadas también pueden proporcionar el control final de un microgrido utilizando técnicas de aprendizaje automático como el aprendizaje de refuerzo profundo.

En caso de emergencias como apagones, el control terciario puede gestionar un grupo de microrredes interconectadas para formar lo que se denomina "agrupación de microrredes", actuando como una planta de energía virtual para continuar suministrando cargas críticas. Durante estas situaciones, el controlador central debe seleccionar una de las microrredes como reserva (es decir, maestra) y el resto como PV y buses de carga de acuerdo con un algoritmo predefinido y las condiciones existentes del sistema (es decir, demanda y generación). En este caso, el control debe ser en tiempo real o al menos a una alta frecuencia de muestreo.

IEEE 2030.7

Un marco de controlador menos influenciado por la utilidad es el del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, el IEEE 2030.7. El concepto se basa en 4 bloques: a) Control a nivel de dispositivo (por ejemplo, control de voltaje y frecuencia), b) Control de área local (por ejemplo, comunicación de datos), c) Control de supervisión (software) (por ejemplo, optimización de despacho prospectivo de recursos de generación y carga) y d) Capas de cuadrícula (por ejemplo, comunicación con la empresa de servicios públicos).

Control elemental

Existe una amplia variedad de algoritmos de control complejos, lo que dificulta que las pequeñas microrredes y los usuarios de recursos energéticos distribuidos residenciales (DER) implementen sistemas de control y gestión de energía. Las actualizaciones de las comunicaciones y los sistemas de información de datos pueden resultar costosas. Algunos proyectos intentan simplificar y reducir el gasto de control mediante productos disponibles en el mercado (por ejemplo, utilizando una Raspberry Pi).

Ejemplos

Hajjah y Lahj, Yemen

El proyecto del PNUD “Resiliencia rural mejorada en Yemen” (ERRY) utiliza microrredes solares de propiedad comunitaria. Reduce los costos de energía a sólo 2 centavos por hora (mientras que la electricidad generada con diésel cuesta 42 centavos por hora). Ganó los Premios Ashden de Energía Humanitaria en 2020.

Isla de Yeu

En la primavera de 2020 se inició un programa piloto de dos años, llamado Harmon'Yeu, para interconectar 23 casas en el vecindario de Ker Pissot y sus alrededores con una microrred que se automatizó como una red inteligente con software de Engie. En cinco casas se instalaron sesenta y cuatro paneles solares con una capacidad máxima de 23,7 kW y en una casa se instaló una batería con una capacidad de almacenamiento de 15 kWh. Seis casas almacenan el exceso de energía solar en sus calentadores de agua. Un sistema dinámico distribuye la energía proporcionada por los paneles solares y almacenada en la batería y los calentadores de agua al sistema de 23 casas. El software de red inteligente actualiza dinámicamente el suministro y la demanda de energía en intervalos de 5 minutos, decidiendo si extraer energía de la batería o de los paneles y cuándo almacenarla en los calentadores de agua. Este programa piloto fue el primero de su tipo en Francia.

Les Anglais, Haití

Se implementa una microrred administrada de forma inalámbrica en la zona rural de Les Anglais, Haití. El sistema consta de una arquitectura de tres niveles con un servicio de monitoreo y control basado en la nube, una infraestructura de puerta de enlace integrada local y una red de malla de medidores inteligentes inalámbricos desplegados en más de 500 edificios.

Las pérdidas no técnicas (NTL) representan un desafío importante a la hora de proporcionar un servicio eléctrico confiable en los países en desarrollo, donde a menudo representan entre el 11% y el 15% de la capacidad de generación total. Una simulación exhaustiva basada en datos de setenta y dos días de datos de medidores inalámbricos de una microrred de 430 hogares implementada en Les Anglais investigó cómo distinguir NTL de las pérdidas totales de energía, lo que ayudó en la detección del robo de energía.

Mpeketoni, Kenia

El Proyecto de Electricidad de Mpeketoni, un sistema de microrred comunitario impulsado por diésel, se creó en la zona rural de Kenia, cerca de Mpeketoni. Debido a la instalación de estas microrredes, Mpeketoni ha experimentado un gran crecimiento en su infraestructura. Dicho crecimiento incluye una mayor productividad por trabajador, en valores del 100% al 200%, y un aumento del nivel de ingresos del 20% al 70%, según el producto.

Bodega Stone Edge Farm

Una bodega habilitada con microturbinas, celdas de combustible, baterías múltiples, electrolizador de hidrógeno y energía fotovoltaica en Sonoma, California.