https://doi.org/10.37815/rte.v33n1.798

Artículos originales

Aprovechamiento
de Sistemas de Almacenamiento Energético Mediante Baterías para la Mitigación
de Desequilibrios en Microrredes Eléctricas

Use of Battery Energy Storage System to Mitigate Unbalances in
Microgrids

Danny Ochoa Correa1 https://orcid.org/0000-0001-5633-1480

1 Universidad de Cuenca, Cuenca, Ecuador

[email-masked]

Enviado:          2021/01/07

Aceptado:        2021/02/04

Publicado:        2021/06/30

Resumen

La proliferación de cargas monofásicas en los sistemas de
distribución eléctrica y su naturaleza asimétrica en su operación en tiempo
real es la principal causa de desequilibrios de tensión y de corriente en
microrredes eléctricas y en sistemas eléctricos débiles y aislados. Según la
severidad del desequilibrio, esta condición podría comprometer el normal
funcionamiento de los distintos componentes del sistema, reducir su eficiencia,
perjudicar su vida útil y, por último, degradar la calidad del suministro
eléctrico. En este artículo se propone una estrategia de control concebida para
facultar a los convertidores electrónicos de potencia asociados a los sistemas
de almacenamiento energético en baterías (BESS) la realización de labores de
mitigación del desequilibrio introducido por la carga trifásica asimétrica en
determinados puntos del sistema. La propuesta se basa en la teoría de las
componentes simétricas instantáneas, que está diseñada para su implementación
en los esquemas de control convencionales incorporados en la electrónica del
BESS. La efectividad de la propuesta es evaluada a partir de un sistema
eléctrico de pruebas implementado en MATLAB/Simulink.
Los resultados obtenidos confirman el correcto desempeño de la estrategia de
control y permiten verificar el cumplimiento de las hipótesis de investigación.

Palabras clave: microrred,
sistema de almacenamiento energético en baterías, desequilibrio de tensión,
componentes simétricas instantáneas, convertidor electrónico de potencia.

Sumario: 1 Introducción,
2 Desequilibrios en microrredes eléctricas y Método de detección, 3 Compensación
de desequilibrios mediante BESS, 4 Resultados y Discusión, 5 Conclusiones,
6 Anexos.

Como citar: Ochoa, D. (2021).
Aprovechamiento de Sistemas de Almacenamiento Energético Mediante Baterías
para la Mitigación de Desequilibrios en Microrredes Eléctricas. Revista
Tecnológica - Espol, 33(1), 18-34.
http://www.rte.espol.edu.ec/index.php/tecnologica/article/view/798

Abstract

The
massive presence of single-phase loads in electrical distribution systems and
their asymmetric nature in real-time operation is the leading cause of voltage
and current unbalances in microgrids and weak isolated power systems. Depending
on the severity of the unbalance, this condition might compromise the expected
performance of system components, reducing efficiency, and negatively impacting
its lifetime plus the degradation of the power supply quality. This article
proposes a control strategy designed to enable the electronic converters
associated with battery energy storage systems (BESS) to mitigate the unbalance
introduced by the asymmetrical three-phase load at specific points of the
system. The proposal is based on the instantaneous symmetrical components’
theory, and it is designed for implementation in conventional control schemes
incorporated in BESS electronics. The effectiveness of the proposal is
evaluated on a testbench implemented in MATLAB/Simulink. The simulation results
confirm the control strategy’s efficiency and validate the research hypotheses.

Keywords: microgrid, battery energy storage system, voltage
unbalance, instantaneous symmetrical components, power electronic converter.

1.    Introducción

La tendencia
creciente de la demanda de energía experimentada por los sistemas eléctricos a
nivel mundial ha propiciado que el nivel de cargabilidad
de la infraestructura necesaria para producir, transportar y distribuir la
electricidad a los consumidores se acerque cada vez a su límite superior. Con
el objeto de evitar alcanzar este límite, los operadores de los sistemas suelen
llevar a cabo proyectos de repotenciación y expansión del sistema eléctrico (en
todas sus etapas), cuyos costos asociados suelen ser cubiertos con fondos provenientes
de las arcas públicas y de las inversiones del sector privado (Agencia de
Regulación y Control de Electricidad-ARCONEL, 2018a). A fin de aliviar la
elevada carga económica que supone la expansión del sector de generación y de
transmisión de electricidad, además de obtener otro tipo de réditos, en la
última década ha cobrado un enorme interés el estudio y la implementación de
microrredes eléctricas, cuyo grado actual de madurez tecnológica constituye una
alternativa económicamente viable (G. V. B. Kumar & Palanisamy,
2020). Por definición, una microrred es un grupo de cargas interconectadas y
recursos energéticos distribuidos que actúan como un solo ente controlado
dentro un sistema eléctrico interconectado (red principal), el cual posee una
topología claramente delimitada. La microrred puede ser conectada o
desconectada de la red principal de tal manera que esta pueda operar tanto en
modo conectado a la red como en modo aislado (Gundumalla
& Eswararao, 2018). En la arquitectura de una
microrred, las unidades de generación pueden localizarse más cerca de los
consumidores (a nivel del sistema de distribución), tener un tamaño
sensiblemente inferior que las grandes centrales convencionales y facilitar la
diversificación de su fuente energética primaria (renovable no convencional, en
su mayoría), de tal forma que la energía producida fluya desde los generadores
hacia las cargas, sin tener que pasar por el sistema de transmisión, lo que reduce
tanto las pérdidas energéticas como el nivel de congestión de la infraestructura.
Este paradigma de generación recibe el nombre de “generación distribuida”,
cuyos beneficios ambientales, gracias a la reducción en la quema de
combustibles fósiles, y técnicos, por la reducción de pérdidas y el aumento en
la continuidad del suministro eléctrico, han sido discutidos ampliamente en la
literatura de este campo disciplinar (Karimi et al.,
2021; T. P. Kumar et al., 2015; Saponara et al.,
2019). En muchos casos, las microrredes suelen incorporar sistemas de
almacenamiento energético diferentes para garantizar la continuidad del
suministro y brindar ciertos servicios de soporte a la red, como el control de
tensión y de frecuencia, en particular, cuando esta última se encuentra
operando en modo aislado (G. V. B. Kumar & Palanisamy,
2020).  En la Figura
1 se muestra una configuración típica
de una microrred eléctrica (las flechas en azul representan los flujos de
potencia en los distintos elementos del sistema).

En el contexto del
sistema eléctrico ecuatoriano existen ciertas redes que, debido a sus
particularidades, pueden ser consideradas microrredes eléctricas, sin que estas
hayan sido necesariamente concebidas como tal en sus inicios. Entre los
ejemplos más destacables se encuentran los sistemas aislados de las islas
Galápagos (San Cristóbal, Baltra-Santa Cruz y Floreana) y los proyectos de
electrificación rural en sectores remotos de la región amazónica, los cuales,
dada la imposibilidad técnica-económica de interconectarlos al sistema nacional
de transmisión, han tenido que autogestionarse energéticamente a fin de
garantizar la calidad y continuidad del suministro a los distintos tipos de
consumidor. Más allá de las múltiples ventajas que presenta la arquitectura de
una microrred eléctrica, desde un punto de vista técnico, ambiental y
económico, existen también desafíos de diversa índole que han despertado el
interés de la comunidad científica (G. V. B. Kumar & Palanisamy,
2020; Nájera et al., 2019). Uno de ellos es el problema relacionado con el
desequilibrio de tensiones y corrientes, materia que es objeto del estudio
presentado en este trabajo.

El desequilibrio o
desbalance de tensiones se presenta en sistemas trifásicos cuando el módulo y
el ángulo de las tensiones entre fases consecutivas no son iguales (Nájera et
al., 2019). La principal causa de los desequilibrios de tensión en un sistema
de distribución suele ser el consumo de potencia asimétrico por parte de las
cargas trifásicas, lo que propicia la circulación de corrientes
desequilibradas. La naturaleza de este consumo de potencia se debe a la
proliferación de cargas monofásicas, cuyos perfiles de consumo individuales,
vistos en tiempo real, difieren en cada una de las fases. El efecto del
desequilibrio es mucho más notorio en redes débiles y aisladas, debido a su
elevado valor de impedancia en el punto de conexión de la carga trifásica (Etxegarai et al., 2015). El desequilibrio de tensión afecta
de manera directa a la calidad de la energía suministrada a los consumidores
(industrial, comercial, residencial y otros), y puede impactar de forma
negativa al funcionamiento de cargas trifásicas, como motores, hornos
eléctricos, variadores de frecuencia y sistemas de carga de vehículos
eléctricos, entre otros; esto provoca la reducción de la eficiencia y la vida
útil de estos artefactos (Adouni & J. Marques
Cardoso, 2021; Antić et al., 2021).
Consecuencias similares podría experimentar el equipamiento eléctrico instalado
aguas arriba de la carga (generadores y transformadores) si son sometidos a
elevados niveles de desequilibrio (de tensión y/o corriente) de forma sostenida
en el tiempo. Es tal la importancia de este indicador, que el código de red
ecuatoriano incluye en la regulación ARCONEL 005/18 los valores máximos
admisibles de desequilibrio que deberá presentar el sistema de distribución (en
sus distintos niveles) para brindar un servicio eléctrico con adecuados
márgenes de calidad (Agencia de Regulación y Control de Electricidad-ARCONEL,
2018b).

Figura 1

Configuración
típica de una microrred eléctrica

Fuente: Elaboración propia

Si bien los operadores de este tipo de redes han invertido
enormes esfuerzos por mantener las redes trifásicas relativamente equilibradas,
por ejemplo, mediante criterios de reparto equitativo de la potencia instalada
en cada una de las fases durante la etapa de diseño, es el comportamiento real
de las cargas el que hace que el desequilibrio sea un problema latente cuya
mitigación deba alcanzarse mediante la intervención de agentes energéticos
exógenos a la propia carga trifásica. Pues bien, apelando a la flexibilidad
operativa que presentan las interfaces de conexión a red basadas en el uso de
convertidores electrónicos de potencia y considerando que su participación en
los sistemas eléctricos de potencia hoy en día es altamente significativa, en
este trabajo se plantea la utilización de un sistema de almacenamiento
energético en baterías (BESS, por sus siglas en inglés) como medida efectiva de
mitigación de desequilibrios.

En concreto, en este manuscrito se propone una estrategia de
control para ser implementada en el convertidor electrónico de potencia
asociado a un sistema BESS, de tal forma que faculte a este agente energético a
inyectar corrientes trifásicas en el punto de conexión común (PCC), con miras a
compensar la corriente desequilibrada de la carga y permitir que esta última
sea percibida como equilibrada por el resto de los componentes eléctricos
situados aguas arriba del PCC. Para tal efecto, en el desarrollo analítico
conducente a la generación de las señales de control a ser aplicadas al
convertidor electrónico del BESS, se toma como base metodológica el concepto de
las componentes simétricas instantáneas presentado por Ghosh y Joshi (2000). Como resultado, se obtienen expresiones que
permiten evaluar en tiempo real las señales de consigna de corriente, que
deberán ser inyectadas por el convertidor del BESS en el PCC para mitigar el
desequilibrio. Estas expresiones, formuladas en términos de las variables
eléctricas que pueden ser medidas en bornes del convertidor, toman en
consideración el factor de potencia y se deducen a partir de un modelo de carga
trifásica desequilibrada conectada en estrella. El desempeño de la estrategia
de control propuesta se evalúa sobre un banco de pruebas diseñado para los
intereses científicos de este trabajo e implementado en el entorno de
simulación MATLAB/Simulink.

2.    Desequilibrios
en microrredes eléctricas y Método de detección

Definición de desequilibrio, problemática y estándares

El desequilibrio
o desbalance (de tensión y/o corriente) se presenta en sistemas trifásicos
cuando el módulo y el ángulo de las tensiones y/o corrientes entre fases
consecutivas no son iguales. Exceptuando las fallas eventuales que pueden
ocurrir en un sistema, la principal causa de los desequilibrios de tensión
suele ser el consumo de potencia asimétrico por parte de las cargas, lo que se
traduce en la aparición de corrientes desequilibradas. Si se analizan los
distintos tipos de consumidores en un sistema, el sector residencial presenta
un gran número de acometidas monofásicas, cuyos hábitos de consumo individuales
son fuente de constantes desequilibrios. En lo que respecta a las instalaciones
industriales y comerciales, estas pueden presentar un consumo eléctrico muy
equilibrado a nivel de diseño. No obstante, en su operación en tiempo real es
muy probable que se detecten niveles de desequilibrio producidos dentro de la
misma instalación debido, quizá, a una mala distribución de los equipamientos,
sobrecarga en alguna de las fases o conexiones con una alta impedancia causadas
por malos contactos entre componentes. La Figura
2 muestra el perfil de consumo
eléctrico real de una acometida trifásica en el sistema de distribución
ecuatoriano (hospital público, localizado en la provincia de Morona Santiago).
Este registro, obtenido con un elevado grado de resolución temporal, pone en
evidencia que, a pesar de los esfuerzos realizados durante la planificación de
la expansión del sistema eléctrico para mantener las redes trifásicas
sensiblemente equilibradas (por medio de políticas y criterios de diseño), es
el comportamiento real de las cargas lo que hace que el desequilibrio sea un
problema latente, cuya mitigación deberá conseguirse mediante la intervención
de agentes energéticos externos, implementando en sus esquemas de control
ciertas técnicas de compensación.

El desequilibrio
de tensión afecta de manera directa a la calidad de la energía suministrada a
los consumidores, independientemente del nivel que estos ocupen en el sistema
(industrial, comercial, residencial y otros), por lo que el impacto dependerá
del uso final de la energía. Es así como, en el caso de las cargas trifásicas,
tales como motores, hornos eléctricos y variadores de frecuencia, entre otras,
la operación bajo un régimen continuado de desequilibrio puede repercutir en su
funcionamiento normal y sufrir daños constructivos, y, en consecuencia, se
produzca la reducción de la eficiencia y vida útil de los artefactos.
Consecuencias similares podrían experimentar otros elementos del sistema, como
los generadores y transformadores, si estos son sometidos a condiciones
operativas extremas de desequilibrio.

En la actualidad,
entre los estándares más extendidos para evaluar el grado de desequilibrio en
una red de distribución, están el IEEE 112-x y el IEC 1000-3-x. En este
estudio, se tomará como referencia el segundo estándar, por cuanto este ha sido
adoptado por la normativa ecuatoriana ARCONEL 005/18 para definir los índices
de calidad del servicio de distribución y comercialización de energía eléctrica
(Agencia de Regulación y Control de Electricidad-ARCONEL, 2018b). En este se
define el factor de desequilibrio de tensión (VUF, por sus siglas en inglés),
expresado en (1), en donde V1 y V2 son las componentes simétricas positiva y
negativa de la tensión trifásica evaluada, respectivamente. El valor máximo
permitido para los niveles de media y baja tensión corresponde al 2 %.

(1)

Figura 2

Perfil de consumo eléctrico registrado en una acometida trifásica:
a) potencia activa; b) tensión fase-neutro; c) corriente y d)
desequilibrio de tensión de acuerdo con ARCONEL 005/18

(a)

(b)

(c)

(d)

Componentes simétricas instantáneas

En la teoría clásica de los sistemas eléctricos de potencia,
los sistemas desequilibrados son estudiados mediante la aplicación del concepto
de las componentes simétricas (o de secuencia) propuestas por C. L. Fortescue (1918). El empleo de esta conveniente herramienta
analítica ha permitido reducir, de forma considerable, el tratamiento analítico
de redes que experimentan distintos tipos de desequilibrios, sean estos
producidos por condiciones de falla o por la naturaleza de ciertos parámetros
de la red operando en condiciones normales (Grainger & Stevenson, 2004; Kundur, 1994). La aplicación del método de las componentes
simétricas a una señal trifásica de tensión y/o corriente arroja como resultado
una terna de fasores de secuencia: positiva, negativa y cero, en donde la
presencia de estos dos últimos indica la operación desequilibrada del sistema.
No obstante, en aplicaciones en tiempo real, que es el objeto de este estudio,
el empleo de un análisis fasorial podría restar efectividad a las labores de
monitorización y compensación, ya que este ha sido concebido para ser aplicado
en señales eléctricas con frecuencia constante y operación en estado
estacionario. En su lugar, es preferible registrar la variación “instantánea”
de las variables eléctricas (tensión y/o corriente) para conseguir señales de
compensación más fiables. Para ello, en Ghosh y Joshi
(2000) se presenta el concepto de las componentes simétricas instantáneas, el
cual establece que un conjunto de tensiones trifásicas instantáneas va(t), vb(t)
y vc(t) puede ser
descompuesto como sigue:

(2)

En donde va0, va1 y va2
son las componentes simétricas instantáneas (referida a la fase a) de la
tensión trifásica estudiada: cero, positiva y negativa, respectivamente. Dado
que a = 1ej120º,
los vectores instantáneos va1 y va2 son
complejos conjugados entre sí y va0 es una cantidad real. Por
tanto, para representar gráficamente las componentes de secuencia obtenidas,
resultará útil emplear el plano complejo. En este punto, es preciso indicar que
la ecuación (2) es válida también para la descomposición de corrientes
trifásicas instantáneas.

Para ilustrar el método considérese la señal trifásica de
tensión desequilibrada, expresada en la parte central de la Figura
3.
Cada vez que se toma una muestra de las tensiones va, vb, vc, se evalúa (2) con el fin de
obtener una terna de valores que representen a las componentes va0, va1 y va2
para ese instante de tiempo. Conforme se avanza en el barrido de la
señal trifásica, se va trazando en el plano complejo los valores adoptados por va1 y va2, como
se ilustra en la Figura
3.
Nótese que el lugar geométrico descrito por va1
es el reflejo de aquel producido por va2.
La falta de correlación entre las dos curvas denota el desequilibrio de la
señal trifásica estudiada, siendo esta más acentuada mientras más severo sea el
desequilibrio. Por tanto, es de esperar que, en caso de tener un sistema
equilibrado, los lugares geométricos de va1 y va2 se
solapen perfectamente. He aquí la utilidad de emplear este concepto para
monitorizar el desequilibrio de tensión y/o corriente y para generar las
señales de compensación correspondientes. En el ejemplo mostrado en la Figura
3,
se han barrido las señales de tensión trifásicas (de 60 Hz) en una ventana
temporal de dos ciclos y un tiempo de muestreo de 0.1 ms.

Figura 3

Detección de desequilibrios mediante el concepto de las componentes
simétricas instantáneas

Fuente: Elaboración propia

3.    Compensación de desequilibrios mediante BESS

Propuesta metodológica

La Figura
4
muestra la representación simplificada de una microrred eléctrica alimentando
a una carga trifásica desequilibrada, en cuyo punto de conexión común a la red
(PCC) se encuentra un sistema de almacenamiento energético mediante baterías
(BESS) con interfaz de conexión basada en convertidor electrónico de potencia
(CEP), similar a la topología de la microrred ilustrada en la Figura 1. Con el
objeto de exponer con claridad el planteamiento de la metodología propuesta, la
red eléctrica situada aguas arriba del PCC es representada por su equivalente
Thévenin (Figura 4).
En condiciones normales de operación, las potencias activas y reactivas
demandadas por cada una de las fases de la carga son suplidas en mayor medida por
la red eléctrica principal y, de forma complementaria, por el BESS.
Independientemente de si el BESS inyecta o absorbe potencia del PCC, las
corrientes trifásicas generadas por el CEP serán siempre equilibradas, por
tanto, el desequilibrio de corrientes y tensiones ocasionado por la carga es
asumido en su totalidad por la red eléctrica principal. Esta naturaleza
desequilibrada y cambiante de la carga, que se traduce en la aparición de
potencias instantáneas pulsantes, circulación de corriente por el neutro,
desequilibrio de tensión en bornes, podría generar efectos adversos en los
elementos que constituyen la red situada aguas arriba del PCC (generadores y
transformadores, principalmente) y en la propia carga, como ya se expuso en la
sección introductoria.

La metodología que se propone en este artículo parte de la
premisa de que, si no es posible cambiar la naturaleza desequilibrada de la
carga en su operación en tiempo real, lo que se puede hacer es aprovechar el
BESS conectado en el PCC para que este inyecte corrientes trifásicas que permitan
compensar el desequilibrio “aguas arriba”, de tal manera que el resto de los
componentes de la microrred perciba a la carga como equilibrada, con los
consiguientes beneficios operativos. Se propone, entonces, un ajuste en la
filosofía de control del CEP asociado al BESS para que este continúe
desempeñando su rol dentro de la microrred eléctrica, al mismo tiempo que sea
empleado para desempeñar las labores de mitigación del desequilibrio
introducido por la carga.

Figura 4

Representación simplificada de una microrred eléctrica

Fuente:
Elaboración
propia

Para el
planteamiento de la propuesta, se acudirá a lo expresado en la Figura
5, que muestra la representación trifásica
de la microrred de la Figura
4. En esta se asume que la única fuente de
desequilibrio proviene de la carga (conectada en estrella), por tanto, la
tensión trifásica de la red eléctrica situada aguas arriba del PCC posee la
forma expresada en (3), donde Vm es
la amplitud máxima y ω es la frecuencia angular de la red.
Tanto la tensión fase-neutro en el PCC como la corriente consumida por la carga
en cada fase están denotadas por vL
y iL, respectivamente. El CEP, que
para este tipo de aplicaciones opera en modo convertidor en fuente de corriente
(CSC, por sus siglas en inglés), es representado por medio de una fuente
controlada de corriente que inyecta una señal trifásica iBESS,
cuyo cálculo constituye el objeto principal de este trabajo. Esta
simplificación está sustentada en los resultados publicados en Huang
et al. (2012); Li et al., (2018) y Radwan
et al. (2020), en donde se
verifica que el CEP adopta un comportamiento equivalente al de una fuente de
corriente desde la perspectiva de la red en el PCC, en el cumplimiento de las
señales de consigna de potencia y activa establecidas en su sistema de control.

Figura 5

Representación trifásica de la microrred eléctrica

Fuente:
Elaboración
propia

(3)

Dado que el
desequilibrio de tensión/corriente en el sistema es ocasionado por la asimetría
de la carga (en términos de la potencia activa/reactiva consumida en cada
fase), se partirá del concepto de las componentes simétricas instantáneas
descrito en la sección II-B para determinar una función de control. La idea
consiste en encontrar una relación entre las corrientes y las tensiones de
carga, así como una acción de control que permita incrementar la correlación
(en tiempo real) del lugar geométrico de las componentes positiva y negativa de
la corriente inyectada por la red en el PCC (como se ilustró en la Figura
3, con la tensión), y, con esto, reducir el
grado de desequilibrio visto desde la red principal. Del diagrama de la Figura
5 se infiere que la red eléctrica principal
habrá alcanzado la condición de equilibrio cuando:

(4)

La expresión (4)
constituye el primer objetivo de control que se busca con la implementación de
la propuesta. A continuación, haciendo uso de la ecuación (2), se deduce que la
componente de secuencia positiva de la tensión fase-neutro instantánea de la
red principal, vsa1, posee la forma:

(5)

Debido a que vsa2
es el complejo conjugado de vsa1, su deducción se
omite en este punto. Luego, operando sobre (5), se obtiene el argumento del
vector complejo, vsa1:

(6)

Repitiendo el
proceso analítico empleado en la deducción de las expresiones (5) y (6), y
considerando que, para este caso, se utilizan las corrientes trifásicas
inyectadas por la red principal en el PCC, se obtiene:

(7)

Ahora bien, los
argumentos de vsa1 y de isa1
se pueden relacionar entre sí, como se indica en (8), en donde φ es
el ángulo del factor de potencia.

(8)

Sustituyendo (6) y (7) en (8):

(9)

Aplicando la
identidad trigonométrica tan(A+B) = (tanA+tanB)/(1-tanAtanB)
en la expresión anterior, se obtiene:

(10)

Para facilitar el
manejo analítico de la expresión (10), cuando se sustituyan los valores k1-k4,
definidos en (6) y (7), se introduce el factor k = tan φ/Ö3. Luego de hacer esta sustitución y de reorganizar términos, se obtiene la
expresión:

(11)

En este punto, se
pide al lector tener en cuenta la naturaleza ondulatoria que adquiere la
potencia instantánea cuando el sistema opera bajo un régimen trifásico
desequilibrado. En tal situación, la potencia total consumida por la carga en
el dominio del tiempo poseerá dos componentes: una ondulatoria y una continua,
siendo esta última la potencia promedio,

(como adelanto, se pide al lector observar la Figura
13(a)). En condiciones normales, esta
potencia total ondulatoria es suplida, de forma mayoritaria, por la red
eléctrica principal. Si bien, se espera que las acciones correctivas del CEP
permitan obtener en el PCC una carga equivalente equilibrada (vista desde la
red principal), no hay que descuidar que la carga conectada seguirá estando
desequilibrada y, por tanto, esta seguirá demandando una potencia instantánea
con componente ondulatoria. Aquí, se puede sacar provecho a la maleabilidad
ofrecida por el CEP en relación con el control de potencia, al forzar a que
este dispositivo asuma la componente ondulatoria de la potencia consumida por
la carga y dejar que sea la red principal quien suministre la potencia promedio
restante,

(Figura
13(b)). Este criterio de diseño, que
constituye el segundo objetivo de control, puede formularse como sigue:

(12)

A continuación se presentan las ecuaciones (4),
(11) y (12) de forma matricial:

(13)

Teniendo en
cuenta que para cada una de las fases del PCC se cumple que is
= iL-iBESS
y que vs = vL
(ver Figura
5), la aplicación del álgebra matricial en
(13) da como resultado las ecuaciones (14)-(16), las cuales son las señales de
referencia trifásica que tienen que ser aplicadas al sistema de control del
CEP. Se hace notar que las variables que constituyen este conjunto de
ecuaciones pueden ser medidas en el PCC por parte del CEP, lo que facilita su
implementación práctica. Además, con el ajuste del factor k (que es
proporcional a tanφ) es posible controlar
el factor de potencia en el PCC.

(14)

(15)

(16)

Caso de estudio

Con el objeto de
ilustrar la implementación de la propuesta planteada en la sección anterior y
de evaluar la efectividad de las acciones de control brindadas por el CEP del
BESS para la mitigación del desequilibrio en tiempo real, en este apartado se
presenta un caso de estudio realizado sobre un sistema de pruebas diseñado para
el efecto (Figura
6). El sistema consiste en una microrred de
220 V (valor eficaz de la tensión de línea) a 60 Hz alimentando a una carga
trifásica y con sistema de almacenamiento energético en baterías (BESS). Al ser
una microrred débil, el valor de la impedancia del modelo equivalente Thévenin
está en el orden de 16 pu (valor calculado para una
potencia base de 1MVA). La fuente de desequilibrio es la carga trifásica, la
cual es representada por un modelo serie caracterizado por los siguientes
parámetros: ZLa = 10e j0º
Ω (fase a), ZLb = 15e j-50º
Ω (fase b) y ZLc = 10e j30º
Ω (fase c), invariables en el tiempo (carga desequilibrada constante). En
este estudio, se han dimensionado estas impedancias de tal manera que se
introduzca un nivel de desequilibrio de tensión que exceda el valor máximo
establecido estándar de referencia (2 %). Es preciso indicar que, de acuerdo con el
enfoque utilizado en este trabajo, las corrientes trifásicas inyectadas por el
CEP en el PCC provienen de una fuente controlada de corriente ideal, y, por
tanto, se asume que esta dispone de un sustento energético ilimitado
proporcionado, por ejemplo, por un banco de baterías. Esta asunción es válida
para intervalos de análisis de corto plazo (en el orden de los pocos minutos),
en donde el estado de carga típico de un BESS se percibe prácticamente
constante (Ko & Choi, 2021).

Figura 6

Microrred eléctrica en estudio

Fuente:
Elaboración
propia

En la Figura
7 se ofrece al lector un ejemplo de
implementación de la estrategia de control propuesta. Este esquema simplificado
ilustra el proceso de cálculo, en tiempo real, de las señales de referencia de
corriente trifásica del CEP del BESS necesarias para la mitigación de los
desequilibrios producidos por la carga. Este proceso inicia con la medición de
los valores instantáneos de tensión trifásica en el PCC y de corriente
trifásica de la carga, vL e iL, respectivamente (en este ejemplo, se
ha considerado un tiempo de muestreo Ts
= 0.1 ms). Con las lecturas realizadas se calcula la potencia activa
instantánea consumida por la carga y su valor promedio para luego evaluar las
ecuaciones (14)-(16), deducidas en el apartado 3.1. Debido a que en este
trabajo se ha empleado un modelo idealizado del sistema integral del BESS
(fuente controlada de corriente), es preciso incluir una función de retraso
(típicamente, de primer orden con constante de tiempo TC) a
fin de representar el tiempo de actuación del convertidor en el intervalo mientras
que recibe la señal de consigna de corriente, i*BESS,
hasta que esta es finalmente medida en bornes del CEP, iBESS.

Figura 7

Esquema de implementación del controlador en el CEP del BESS

Fuente:
Elaboración
propia

4.    Resultados
y Discusión

La Figura
8 muestra la implementación del
sistema de pruebas (Figura 6) en el entorno de simulación MATLAB/Simulink. En
este modelo es posible también apreciar la implementación del esquema de
control propuesto (Figura 7), el cual estará habilitado o no
según las necesidades del estudio. Para ello, se utilizan los modelos
integrados por defecto en la librería Simscape
del simulador, con el objeto de representar los distintos elementos eléctricos
que componen el sistema de pruebas y la metrología eléctrica necesaria para el
registro de los datos, con el detalle que se muestra en la Figura 8. Los valores numéricos asignados a
los distintos parámetros del modelo en la simulación se ofrecen en el Apéndice.

Figura 8

Implementación del sistema de pruebas en MATLAB/Simulink

Fuente:
Elaboración
propia

Caso base

En primer lugar se estudia el caso base, en el cual el BESS no
interviene en las labores de compensación del desequilibrio de la carga, sino la
red eléctrica principal, quien alimenta a la carga en su totalidad. Este caso
puede ser visto también desde otro enfoque: que el BESS se encuentre entregando
o absorbiendo potencia de un modo convencional, es decir, mediante la
generación de corrientes trifásicas equilibradas, de tal manera que la única
fuente de desequilibrio sea la carga trifásica. La Figura 9 muestra los resultados obtenidos en la
simulación del caso base. La Figura
9(a) ilustra la dinámica adoptada por
tensión fase-neutro en el PCC para el horizonte temporal considerado. Si bien,
en esta ilustración apenas se aprecia el desequilibrio de tensión, al echar un
vistazo a los valores de las componentes de secuencia y aplicar la ecuación (1)
se puede verificar que el desequilibrio asciende al 3.20 %, valor que se sitúa
por encima de lo que exige el código de red ecuatoriano. El desequilibrio se
hace más evidente si se observa la corriente de carga instantánea, iL, en la Figura
9(b). En este caso, la corriente de la red
principal (Figura
9(d)) adopta la misma forma que la de carga,
por cuanto se ha forzado al BESS a no inyectar ni absorber potencia en el PCC (Figura 9(c)).

A manera de
comprobación, en la Figura
10(a) se ha graficado el lugar geométrico
descrito por las componentes simétricas instantáneas de la corriente inyectada
por la red principal en el PCC, obtenido al muestrear is (Figura 9(d)), dentro la ventana 0.05s-0.1s, y
evaluar la ecuación (2), expresada en términos de la corriente. El lugar
geométrico refleja la falta de correlación entre las componentes de secuencia
positiva y negativa, brindando un diagnóstico visual del desequilibrio. Por
complementariedad, en la Figura
10(b) se muestra la dinámica de la corriente
medida en el neutro de la microrred, cuya amplitud da testimonio de la
severidad del desequilibrio estudiado.

Figura 9

Resultados de la simulación
(caso base)

(a)

(b)

(c)

(d)

Fuente: Elaboración propia

Figura 10

Resultados de la simulación
(caso base): a) lugar geométrico componentes simétricas instantáneas (is,
red principal); b) corriente instantánea del neutro, iN

(a)                                            (b)

Fuente: Elaboración propia

Por último, en la Figura 13 se presenta la dinámica adoptada por la potencia instantánea
y promedio inyectada/absorbida en el PCC por cada uno de los agentes del
sistema de prueba, antes y después de la compensación.

Participación del BESS en la
mitigación del desequilibrio

Para este estudio, se procede a habilitar el
esquema de compensación implementado en el CEP del BESS y se repite el
experimento descrito en el caso base. Con el propósito de hacer una primera
verificación de la efectividad de la propuesta, se simularán condiciones
operativas del CEP prácticamente ideales, al considerar, por ejemplo, una
constante de tiempo TC = 1´10-5 s en la función de retardo (Figura 7).
Además, para la evaluación del conjunto de ecuaciones (14)-(16) se considera un
valor de k = 0, con lo que se podrá obtener un factor de potencia
unitario con la actuación del CEP bajo este modo operativo.

La Figura 11(a)
ilustra la dinámica de tensión fase-neutro en el PCC. En esta ilustración se
observa que el desequilibrio de tensión en la carga ha sido reducido
sustancialmente, pues la componente de secuencia negativa ha disminuido su
valor de forma apreciable. La aplicación de (1) con estos datos revela que el
desequilibrio de tensión (según ARCONEL 005/18) se reduce al 0.18 %.

Si bien, la corriente instantánea en la carga
permanece aún desequilibrada (Figura 11(b)),
es la acción de control del BESS (Figura 11(c))
la que permite compensar la corriente de carga equivalente en el PCC. La Figura 11(d)
muestra cómo esta corriente es equilibrada desde el punto de vista de la red
principal (aguas arriba del PCC) y, además, cómo esta corriente está en fase
con la tensión trifásica medida en ese punto (cos φ = 1). Esto último, se debe a la asignación k = 0 en el esquema de control del
BESS propuesto.

Figura 11

Compensación del desequilibrio por parte del BESS

(a)

(b)

(c)

(d)

Fuente:
Elaboración
propia

Siguiendo un procedimiento similar a aquel descrito en el caso base, en la Figura
12(a) se ha trazado el lugar geométrico de
las componentes simétricas instantáneas de la corriente suministrada por la
fuente, en la cual se puede evidenciar la labor exitosa del BESS en la
mitigación del desequilibrio; las curvas están solapadas. Este diagnóstico lo
respalda la ausencia de una corriente circulante por el neutro de la microrred
(Figura
12(b)) y permite verificar el cumplimiento
del primer objetivo de control.

Figura 12

Compensación del desequilibrio por parte del BESS: a) lugar
geométrico componentes simétricas instantáneas (is, red principal);
b) corriente instantánea del neutro, iN

(a)                                            (b)

Fuente:
Elaboración
propia

En aras de la completitud, en la Figura
13 se presenta una comparación de las
dinámicas de las potencias activas instantáneas manejadas por cada uno de los
agentes energéticos del sistema de pruebas, antes y después de la intervención
del BESS con sus labores de compensación. Nótese que, en el caso base (Figura 13(a)), la potencia instantánea ondulatoria
demandada por la carga desequilibrada tiene que ser suplida completamente por
la red principal. Si en este caso, el BESS inyectase/absorbiese potencia activa
mediante el modo convencional, el resultado sería una línea continua en el
tiempo que restaría/sumaría al aporte proveniente de la red principal para la
cobertura de la potencia demandada. En todo caso, la generación de la
componente ondulatoria de la potencia activa requerida por la carga seguiría
siendo endosada a la red principal. Ahora bien, cuando se habilita la
compensación del BESS en el sistema de prueba (ver Figura
13(b)), la componente oscilante de la
potencia instantánea de la carga es asumida por el BESS, mientras que la red
principal aporta únicamente la potencia promedio demandada por esta. Se cumple,
por tanto, el segundo objetivo de control.

Figura 13

Potencia activa instantánea: a) caso base, b) compensación por parte
del BESS

(a)

(b)

Fuente:
Elaboración
propia

Finalmente, la Tabla
1 ofrece los resultados más relevantes del
estudio presentado.

Tabla 1

Resumen de los resultados

Tensión fase-neutro medida en el PCC [V]

Desequilibrio de tensión

(ARCONEL 005/18)

Caso base

3.196 %

Compensación mediante BESS

0.180
%

Fuente: Elaboración propia

5.    Conclusiones

Entre los
principales desafíos operativos derivados de la implementación de microrredes
eléctricas (en modo isla) y sistemas eléctricos débiles y aislados, en general,
se encuentran aquellos relacionados con el desequilibrio de tensiones y
corrientes provocado por la naturaleza asimétrica de la carga trifásica en su
operación en tiempo real. Según la severidad del desequilibrio, esta condición
podría comprometer el correcto funcionamiento de los distintos componentes del
sistema, reducir la eficiencia y su vida útil, y degradar los índices de
calidad del suministro eléctrico. Aprovechando la proliferación de agentes
energéticos con interfaz de conexión a red basado en convertidores electrónicos
de potencia en una microrred eléctrica, como es el caso de los sistemas de
almacenamiento energético en baterías (BESS), en este trabajo se ha propuesto
una estrategia de control aplicada a tales convertidores con el objeto de
mitigar el desequilibrio de tensión y/o corriente. La propuesta se encuentra
sustentada en la teoría de las componentes simétricas instantáneas y la
formulación resultante carece de complejidad matemática, lo que facilita su
implementación práctica en los esquemas de control convencionales implementados
en la electrónica del BESS. La efectividad brindada por la propuesta ha sido
evaluada sobre un sistema eléctrico de pruebas, diseñado para los intereses de
esta investigación, en el entorno de simulación MATLAB/Simulink.
Los resultados obtenidos muestran que la incorporación de la estrategia de
compensación en el convertidor electrónico de potencia del BESS permite reducir
efectivamente el grado de desequilibrio en la microrred, para lo cual se ha
tomado como referencia el código de red ecuatoriano. Estos resultados, además,
han permitido corroborar los objetivos de control establecidos en el
planteamiento de la propuesta y, con esto, verificar el cumplimiento de la
hipótesis. Finalmente, es importante indicar que el alcance del estudio
presentado en este artículo ha sido definido para presentar, de forma
exhaustiva, la base teórica de la propuesta y brindar al lector una noción
general de la interacción de los distintos actores de una microrred eléctrica,
por lo que ha sido necesario realizar una serie de simplificaciones en la
representación de sus modelos. A partir de esta base, se recomienda realizar
simulaciones más detalladas en la que se consideren algunos aspectos, como el
empleo de un modelo completo de los convertidores electrónicos de potencia; se
tomen en cuenta las características de la batería y de su estado de carga; se
considere un modelo desagregado de la microrred y que se incluyan los retardos
asociados a las labores de medición, cómputo y procesamiento en el convertidor
electrónico del BESS, los cuales podrían penalizar en mayor o menor medida la
efectividad del método.

6.    Anexos

Parámetros asignados al modelo de microrred:

Red eléctrica principal (fuente
trifásica): Vab(rms) = 220 V, f = 60 Hz y zth =
0.77 W.

Carga
desequilibrada (modelo serie): RLA
= 10.00 W, RLB = 9.64 W, LLB = 30.5 mH, RLC = 8.66  W y CLC = 530.52 mF.

Reconocimientos

El autor expresa
su agradecimiento a la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e
Innovación (SENESCYT) de la República del Ecuador, que, gracias a su apoyo
financiero ha hecho posible su formación a nivel doctoral.

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