El funcionamiento de una microrred se basa en el principio de que los consumidores de energía eléctrica pueden también ser productores de la misma, siendo autónomos en condiciones particulares e integrándose en un sistema de mayor escala si se requiere (Hatziargyriou, Asano, Iravani, & Marnay, 2007). Las microrredes están compuestas por generadores, acumuladores y cargas, elementos que se interconectan entre sí gracias a circuitos electrónicos denominados convertidores de potencia. Cada generador suele estar compuesto por uno de estos convertidores y una fuente de energía renovable, ya sea un arreglo de paneles solares o una turbina eólica, entre otros (Shahbazi & Khorsandi, 2017).
También se puede obtener energía de la red eléctrica comercial o de un generador auxiliar, y, en caso de que sea de baja calidad, la microrred tiene la capacidad de mejorarla. La acumulación suele realizarse utilizando sistemas que integran baterías y en algunos casos supercapacitores cuya carga y descarga se realiza a través de un convertidor bidireccional. Las cargas representan el consumo de la microrred, que puede ser, por ejemplo, iluminación, equipos de cómputo, electrodomésticos, equipos de comunicaciones y elementos para la automatización agrícola, como ocurre en una microrred rural (Gaona, Trujillo, & Guacaneme, 2015).
Además de los convertidores de potencia, la microrred integra un interruptor electrónico inteligente que permite direccionar la energía disponible en corriente alterna, dependiendo de las condiciones de funcionamiento y configuración preliminar. A través de este último elemento es posible realizar la conexión y desconexión a la red eléctrica lo que permite la operación del sistema en lo que se llama, comúnmente, modo isla. Gracias a su flexibilidad, este dispositivo permite priorizar la autonomía de algunas cargas críticas conectadas al sistema. Si además del estándar convencional de corriente alterna de la red eléctrica, la microrred acopla elementos operando con corriente continua en un nivel estándar, se le denomina microrred híbrida (Liu, Wang, & Chiang Loh, 2010).
Involucrar decenas de convertidores de potencia, en el mismo sistema es el reto más importante en la implementación de una microrred híbrida. Esto lleva a que la modularidad y la robustez del control sean características claves.
Lo fascinante de la utilización de microrredes híbridas rurales es que ofrecen la posibilidad de contar con unidades de funcionales, que puedan integrarse fácilmente entre ellas y que pueda cada una ser autónoma para suplir las necesidades de un núcleo familiar rural, y a su vez en conjunto, garantizar el funcionamiento de servicios comunitarios. No obstante, este objetivo no es nada fácil de conseguir y requiere de especial atención en la investigación. Es importante mencionar que la modularidad de las microrredes facilita su escalamiento e implementación progresiva, siendo este el primer factor clave para el diseño de la arquitectura del sistema. Mientras más modular sea la microrred, más flexible es su implementación y más simple será incrementar su capacidad de forma gradual.
Además de la importancia de la modularidad en la construcción de la microrred, otro requerimiento relevante es la robustez de su control, pues de ello se deriva la confiabilidad del sistema. Lo primero en este sentido es garantizar la regulación de variables eléctricas como voltaje y corriente para así tener la posibilidad de controlar la potencia y, en consecuencia, la energía (Nejabatkhah & Li, 2015).
Tras garantizar las condiciones de operación mínimas, es posible optimizar indicadores de desempeño tales como la eficiencia total del sistema, la vida útil de los acumuladores, el costo total de operación y la autonomía. Esto se logra a través de algoritmos de control desarrollados para un nivel de jerarquía más alto, que realiza la asignación dinámica de referencias para la definición del modo de operación y la transferencia de energía entre elementos (Che, Shahidehpour, Alabdulwahab, & Al-Turki, 2015). Estos algoritmos de alto nivel suelen alojarse en un medio computacional que centraliza la información al que se le denomina Sistema de Administración de Energía (EMS).
La Universidad de Ibagué es pionera en la región en el estudio y desarrollo de las microrredes y se une a esfuerzos nacionales y mundiales por garantizar energía confiable y moderna para todos.
A partir del año 2015, el Semillero de Investigación en Control para el Procesamiento de Energía (SICEP), se involucró en el estudio de las microrredes para contribuir en su desarrollo y apropiación como tecnología. El primer paso se consiguió con la aprobación del proyecto de investigación Planta piloto de microrred híbrida inteligente para aplicaciones de automatización agrícola y autonomía eléctrica en viviendas rurales sostenibles – MIREDHI-Lab, el cual es cofinanciado por Colciencias y cuenta con la cooperación internacional del LAAS-CNRS en Francia y la Universitat Rovira i Virgili en España. Este proyecto comprende tres componentes fundamentales: primero, uno de investigación científica, que busca la contribución en la fundamentación teórica para el modelamiento y control de las microrredes híbridas; segundo, otro de investigación aplicada cuyo objetivo es implementar técnicas de control simples y robustas en sistemas digitales programables para mejorar los indicadores de desempeño relevantes de las microrredes; y, por último, un componente de desarrollo tecnológico, a través de la cual se implementa un demostrador de la microrred, integrando generadores, acumuladores y cargas reales en un sistema apoyado por instrumentos y algoritmos que permiten también su operación en condiciones controladas de laboratorio.
La experiencia con MIREDHI-Lab ha permitido hasta el momento la formación de nueve estudiantes de pregrado de ingeniería electrónica, uno de ingeniería mecánica y tres de la maestría en ingeniería de control. Algunos de los resultados están ya publicados en artículos científicos relacionados con la extracción de potencia de paneles solares (López-Santos, Merchán-Riveros, & García, 2018), la conexión bidireccional con la red eléctrica (López-Santos, García, Martínez-Salamero, & Rubio-Reinoso, 2018) y la sincronización con la misma (López-Santos, Tilaguy-Lezama, & García, 2018).
Adicionalmente, cada trabajo, al menos en pregrado, comprende la construcción de un prototipo de convertidor, el cual se integra en la microrred junto con emuladores de laboratorio de fuentes renovables, como paneles solares y turbinas eólicas, los cuales incluyen componentes tanto de hardware como de software. Los trabajos de maestría tienen una complejidad diferente y están relacionados con la aplicación de técnicas de control avanzado normalmente demandante en su estudio y su diseño pero de muy simple implementación. Al respecto, es importante mencionar que los algoritmos de control de cada convertidor son implementados en Procesadores Digitales de Señales (DSP) mientras que el EMS es implementado en un computador embebido, el cual se programa en la plataforma LabVIEW.
El semillero de investigación en control para el procesamiento de energía (SICEP) avanza en el desarrollo de una simulación en tiempo real para apoyar las etapas de dimensionamiento y diseño en proyectos de implementación futuros.
El simulador en tiempo real (MIREDHI-RTSim) es por el momento una representación completa de la arquitectura del sistema, el cual ha sido implementado con base en modelos matemáticos simplificados de todos sus componentes. El software se organiza a partir de módulos representando arreglos de paneles solares, turbinas eólicas, baterías, convertidores unidireccionales y bidireccionales, la red eléctrica, un generador auxiliar y cargas tanto en corriente continua como en corriente directa. Dichos módulos están interconectados a partir del modelo matemático de los buses de potencia de la microrred (puntos de interconexión). El funcionamiento se organiza en modos de operación que determinan la estrategia o estrategias de control necesarias, con lo cual es posible evaluar el comportamiento del sistema ante diferentes escenarios de condiciones ambientales y consumo de energía. Tanto los parámetros como los escenarios son definidos por el usuario o importados de datos con tomados de mediciones reales.
A partir de este desarrollo preliminar se extiende un panorama importante de trabajo futuro, enfocado en el planteamiento y validación de estrategias de control que permitan optimizar el sistema. Por un lado, incluyendo todos los escenarios y modos de funcionamiento posibles, usando algoritmos eficientes para la simulación de la microred; y por otro lado, planteando el uso del simulador como herramienta de investigación en el desarrollo y validación de técnicas de control, tanto para los componentes como para el sistema en general. Con esto se espera que el software permita una evaluación y un análisis íntegro de situaciones y condiciones de operación de la microred para su implementación física en aplicaciones reales.
Referencias bibliográficas
Che, L., Shahidehpour, M., Alabdulwahab, A., & Al-Turki, Y. (2015). Hierarchical Coordination of a Community Microgrid with AC and DC Microgrids. IEEE Transactions on Smart Grid, 6(6), 3042-3051.
Gaona, E., Trujillo, C., & Guacaneme, J. (2015). Rural microgrids and its potential application in Colombia 51. Renewable and Sustainable Energy Reviews(51), 125-137.
Hatziargyriou, N., Asano, H., Iravani, R., & Marnay, C. (2007). Microgrids. IEEE Power and Energy Magazine, 5(4), 78-94.
Jha, S. K., Stoa, P., & Uhlen, K. (2016). Green and hybrid microgrid for rural electrification. IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC). Agra (India).
Liu, X., Wang, P., & Chiang Loh, P. (2010). A hybrid AC/DC micro-grid. Conference Proceedings International Power Engineering Conference (IPEC). Singapur (Singapur).
López-Santos, O., García, G., Martínez-Salamero, L., & Rubio-Reinoso, A. (2018). Sliding Mode Control of a LCL-Type Single-Phase Bidirectional. Barcelona (España): SAEI.
López-Santos, O., Merchán-Riveros, M. C., & García, G. (2018). Event-Triggered Digital Implementation of MPPT for Integration of PV Generators in DC Buses of Microgrids. Communications in Computer and Information Science(915), 548-560.
López-Santos, O., Tilaguy-Lezama, S., & García, G. (2018). Adaptive Sampling Frequency Synchronized Reference Generator for Grid Connected Power Converters. Communications in Computer and Information Science(915), 573-587.
Nejabatkhah, F., & Li, Y. W. (2015). Overview of Power Management Strategies of Hybrid AC/DC Microgrid. IEEE Transactions on Power Electronics, 30(12), 7072-7089.
Shahbazi, M., & Khorsandi, A. (2017). Power Electronic Converters in Microgrid Applications. En M. S. Mahmoud, Microgrid (págs. 281-309). Dhahran, Arabia Saudí: Butterworth-Heinemann.
