https://doi.org/10.37815/rt=
e.v33n1.798
Artículos originales
Use of Battery Energy Storage System to Mitigate Unbalances in
Microgrids
Danny Ochoa Correa
1 Universidad de Cuenca, Cuenca, Ecuador
danny.ochoac@ucuenca.e= du.ec<= o:p>
Enviado: =
2021/01/07
Aceptado: =
2021/02/04
Publicado: =
2021/06/30
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 eficien= cia, 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 siste= mas 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 implementaci= ón 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 investigac= ión.
Palabras clave: =
microrred,
sistema de almacenamiento energético en baterías, desequilibrio de tensión,
componentes simétricas instantáneas, convertidor electrónico de potencia.
Sumario: 1 Introdu=
cción,
2 Desequilibrios en microrredes eléctricas y Método de detección, 3 Co=
mpensación
de desequilibrios mediante BESS, 4 Resultados y Discusión, 5 Conclusio=
nes,
6 Anexos. Como citar=
: Ochoa, D.=
(2021).
Aprovechamiento de Sistemas de Almacenamiento Energético Mediante Bate=
rías
para la Mitigación de Desequilibrios en Microrredes Eléctricas. Rev=
ista
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 a=
nd
their asymmetric nature in real-time operation is the leading cause of volt=
age
and current unbalances in microgrids and weak isolated power systems. Depen=
ding
on the severity of the unbalance, this condition might compromise the expec=
ted
performance of system components, reducing efficiency, and negatively impac=
ting
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 unbal=
ance
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 schem=
es
incorporated in BESS electronics. The effectiveness of the proposal is
evaluated on a testbench implemented in MATLAB/Simulink. The simulation res=
ults
confirm the control strategy’s efficiency and validate the research hypothe=
ses.
Keywords: microgrid, battery energy storage system, volta=
ge
unbalance, instantaneous symmetrical components, power electronic converter=
.
=
&nb=
sp; =
&nb=
sp; =
&nb=
sp; =
1. Introducción
La tendencia
creciente de la demanda de energía experimentada por los sistemas eléctrico=
s a
nivel mundial ha propiciado que el nivel de cargabilid=
ad
de la infraestructura necesaria para producir, transportar y distribuir la
electricidad a los consumidores se acerque cada vez a su límite superior. C=
on
el objeto de evitar alcanzar este límite, los operadores de los sistemas su=
elen
llevar a cabo proyectos de repotenciación y expansión del sistema eléctrico=
(en
todas sus etapas), cuyos costos asociados suelen ser cubiertos con fondos p=
rovenientes
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 u=
na
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 (Gundumal=
la
& Eswararao, 2018). En la arquitectura de u=
na
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 generado=
res
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 infraestru=
ctura.
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 & Palanis=
amy,
2020). En la Figura
1 se muestra una configuración t=
ípica
de una microrred eléctrica (las flechas en azul representan los flujos de
potencia en los distintos elementos del sistema).
En el conte=
xto del
sistema eléctrico ecuatoriano existen ciertas redes que, debido a sus
particularidades, pueden ser consideradas microrredes eléctricas, sin que e=
stas
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 cuale=
s,
dada la imposibilidad técnica-económica de interconectarlos al sistema naci=
onal
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 desequil= ibrio 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 siste= ma 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 vi= da útil de estos artefactos (Adouni & J. Marqu= es Cardoso, 2021; Antić et al., 2021). Consecuencias similares podría experimentar el equipamiento eléctrico insta= lado aguas arriba de la carga (generadores y transformadores) si son sometidos a elevados niveles de desequilibrio (de tensión y/o corriente) de forma soste= nida 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-ARCONE= L, 2018b).
Figura <= /span>1<= /span>
Configuración
típica de una microrred eléctrica
Fuente: Elaboración propia
Si bien los operadores de este tipo de redes han inver= tido enormes esfuerzos por mantener las redes trifásicas relativamente equilibra= das, por ejemplo, mediante criterios de reparto equitativo de la potencia instal= ada en cada una de las fases durante la etapa de diseño, es el comportamiento r= eal 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 efectiv= a de mitigación de desequilibrios.
En concreto, en este manuscrito se propone una estrate= gia de control para ser implementada en el convertidor electrónico de potencia asociado a un sistema BESS, de tal forma que faculte a este agente energéti= co a inyectar corrientes trifásicas en el punto de conexión común (PCC), con mir= as 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 concept= o 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 c= arga trifásica desequilibrada conectada en estrella. El desempeño de la estrateg= ia 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.
&nbs= p; &= nbsp; 2. Desequilibrios en microrredes eléctricas y Método de detección
<= span lang=3DES-US>Definición de desequilibrio, problemática y estándares<= /p>
El dese=
quilibrio
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 presen=
ta
un gran número de acometidas monofásicas, cuyos hábitos de consumo individu=
ales
son fuente de constantes desequilibrios. En lo que respecta a las instalaci=
ones
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 equipamient=
os,
sobrecarga en alguna de las fases o conexiones con una alta impedancia caus=
adas
por malos contactos entre componentes. La Figura
2 muestra el perfil de consu=
mo
eléctrico real de una acometida trifásica en el sistema de distribución
ecuatoriano (hospital público, localizado en la provincia de Morona Santiag=
o).
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 intervenci=
ón
de agentes energéticos externos, implementando en sus esquemas de control
ciertas técnicas de compensación.
El dese=
quilibrio
de tensión afecta de manera directa a la calidad de la energía suministrada=
a
los consumidores, independientemente del nivel que estos ocupen en el siste=
ma
(industrial, comercial, residencial y otros), por lo que el impacto depende=
rá
del uso final de la energía. Es así como, en el caso de las cargas trifásic=
as,
tales como motores, hornos eléctricos y variadores de frecuencia, entre otr=
as,
la operación bajo un régimen continuado de desequilibrio puede repercutir e=
n 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, c=
omo
los generadores y transformadores, si estos son sometidos a condiciones
operativas extremas de desequilibrio.
En la a=
ctualidad,
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 índic=
es
de calidad del servicio de distribución y comercialización de energía eléct=
rica
(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 %.
Figura <= /span>2<= /span>
Perfil de consumo eléctrico registrado en una acometida trifás= ica: a) potencia activa; b) tensión fase-neutro; c) corriente y d) desequilibrio de tensión de acuerdo con ARCONEL 005/18
(a)
(b)
(c)
(d)
<= span lang=3DES-US>Componentes simétricas instantáneas
En la teoría clásica de los sistemas eléctricos de pot= encia, los sistemas desequilibrados son estudiados mediante la aplicación del conc= epto de las componentes simétricas (o de secuencia) propuestas por C. L. Fortescue (1918). El empleo de esta conveniente herra= mienta analítica ha permitido reducir, de forma considerable, el tratamiento analí= tico de redes que experimentan distintos tipos de desequilibrios, sean estos producidos por condiciones de falla o por la naturaleza de ciertos parámetr= os de la red operando en condiciones normales (Grainger & Stevenson, 2004;= Kundur, 1994). La aplicación del método de las compon= entes simétricas a una señal trifásica de tensión y/o corriente arroja como resul= tado una terna de fasores de secuencia: positiva, negativa y cero, en donde la presencia de estos dos últimos indica la operación desequilibrada del siste= ma. No obstante, en aplicaciones en tiempo real, que es el objeto de este estud= io, el empleo de un análisis fasorial podría restar efectividad a las labores de monitorización y compensación, ya que este ha sido concebido para ser aplic= ado en señales eléctricas con frecuencia constante y operación en estado estacionario. En su lugar, es preferible registrar la variación “instantáne= a” de las variables eléctricas (tensión y/o corriente) para conseguir señales = de compensación más fiables. Para ello, en Ghosh y Joshi<= /span> (2000) se presenta el concepto de las componentes simétricas instantáneas, = el cual establece que un conjunto de tensiones trifásicas instantáneas va(t), vb<= /sub>(t) y vc(t) puede s= er descompuesto como sigue:
En donde va0, va1 y v
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<=
/span>, vc, se evalúa (2) con el fin=
de
obtener una terna de valores que representen a las componentes va0, va1 y v
Figura <= /span>3<= /span>
Detección de desequilibrios mediante el concepto de las compon= entes simétricas instantáneas
Fuente: Elaboración propia
&nbs=
p; &=
nbsp; &nbs=
p; &=
nbsp;
3. Compensación de desequilibrios median=
te BESS
<= span lang=3DES-US>Propuesta metodológica
La Figura 4 muestra la representación simplificada de una microrred eléctrica alime= ntando 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 potenc= ia (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 equivalen= te 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 medi= da 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 d= e 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 pe= rmitan 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 s= ea empleado para desempeñar las labores de mitigación del desequilibrio introducido por la carga.
Figura <= /span>4<= /span>
Representación simplificada de una microrred eléctrica<= /p>
Fuente:
Elabo=
ración
propia
Para el
planteamiento de la propuesta, se acudirá a lo expresado en la Figura
5, que muestra la representación tr=
ifásica
de la microrred de la Figura
4. En esta se asume que la única fu=
ente 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 c=
arga
en cada fase están denotadas por vL<=
/span>
y iL, respectivamente. El CEP=
, que
para este tipo de aplicaciones opera en modo convertidor en fuente de corri=
ente
(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 l=
as
señales de consigna de potencia y activa establecidas en su sistema de cont=
rol.
Figura <= /span>5<= /span>
Representación trifásica de la microrred eléctrica
Fuente:
Elabo=
ración
propia
Dado qu=
e el
desequilibrio de tensión/corriente en el sistema es ocasionado por la asime=
tría
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 negativ=
a de
la corriente inyectada por la red en el PCC (como se ilustró en la <=
!--[if supportFields]> REF _Ref75870366 \h \* MERGEFORMAT Figura
3, con la tensión), y, con esto, re=
ducir el
grado de desequilibrio visto desde la red principal. Del diagrama de la Figura
5 se infiere que la red eléctrica p=
rincipal
habrá alcanzado la condición de equilibrio cuando:
La expr=
esión (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 qu=
e la
componente de secuencia positiva de la tensión fase-neutro instantánea de la
red principal, vsa1, posee la forma:
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:
Repitie=
ndo 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:
Ahora b=
ien, los
argumentos de vsa1 y de isa<=
sub>1
se pueden relacionar entre sí, como se indica en (8), en donde φ es
el ángulo del factor de potencia.
Sustituyendo (6) y (7) en (8):
Aplican=
do la
identidad trigonométrica tan(A+B) =3D (t=
anA+tanB)/(1-tan<=
i>AtanB)
en la expresión anterior, se obtiene:
Para fa=
cilitar el
manejo analítico de la expresión (10), cuando se sustituyan los valores =
k1-k4,
definidos en (6) y (7), se introduce el factor k =3D tan φ/Ö3. Luego de hacer esta sustitución y de reorganizar términos, se obtien=
e la
expresión:
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 contin=
ua,
siendo esta última la potencia promedio,
A continuación se presentan las ecuaciones (=
4),
(11) y (12) de forma matricial:
Teniend=
o en
cuenta que para cada una de las fases del PCC se cumple que is
=3D iL-i
<= span lang=3DES-US>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 d=
el
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 micr=
orred 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 Théve=
nin
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 =3D 10e
<= o:p>
Figura <= /span>6<= /span>
Microrred eléctrica en estudio
Fuente:
Elabo=
ración
propia
En la <=
/span>Figura
7 se ofrece al lector un ejemplo de
implementación de la estrategia de control propuesta. Este esquema simplifi=
cado
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 <=
span
class=3DSpellE>iL, respectivamente (en este ejempl=
o, se
ha considerado un tiempo de muestreo Ts
=3D 0.1 ms). Con las lecturas realizadas se calcula la potencia activa
instantánea consumida por la carga y su valor promedio para luego evaluar l=
as
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 m=
ientras
que recibe la señal de consigna de corriente, i*BESS,
hasta que esta es finalmente medida en bornes del CEP, iBESS.
Figura <= /span>7<= /span>
Esquema de implementación del controlador en el CEP del BESS
Fuente:
Elabo=
ración
propia
&nbs= p; &= nbsp; &nbs= p; &= nbsp; &nbs= p; &= nbsp; 4. Resultados y Discusión
L=
a Figura
8 muestra la implementación d=
el
sistema de pruebas (Figura 6) en el entorno de simulació=
n 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<=
/span>
del simulador, con el objeto de representar los distintos elementos eléctri=
cos
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 asig=
nados a
los distintos parámetros del modelo en la simulación se ofrecen en el Apénd=
ice.
<=
span
lang=3DES-US style=3D'font-size:11.0pt;mso-bidi-font-size:14.0pt;mso-ansi-l=
anguage:
ES-US'>
Figura <= /span>8<= /span>
Implementación del sistema de pruebas en MATLAB/Simulink
Fuente:
Elabo=
ración
propia
<= span lang=3DES-US>Caso base
En prim=
er lugar se estudia el caso base, en el cual el BESS no
interviene en las labores de compensación del desequilibrio de la carga, si=
no la
red eléctrica principal, quien alimenta a la carga en su totalidad. Este ca=
so
puede ser visto también desde otro enfoque: que el BESS se encuentre entreg=
ando
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 p=
or
tensión fase-neutro en el PCC para el horizonte temporal considerado. Si bi=
en,
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 si=
túa
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 P=
CC (Figura 9(c)).
A maner=
a de
comprobación, en la Figura
10(a) se ha graficado el lugar geomé=
trico
descrito por las componentes simétricas instantáneas de la corriente inyect=
ada
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 secuenc=
ia
positiva y negativa, brindando un diagnóstico visual del desequilibrio. Por
complementariedad, en la Figura
10(b) se muestra la dinámica de la c=
orriente
medida en el neutro de la microrred, cuya amplitud da testimonio de la
severidad del desequilibrio estudiado.
Figura 9=
Resultados de la sim= ulación (caso base)
(a)
(b)
(c)
(d)
Fuente=
: Elaboración propia
Figura 10
Resultados de la sim=
ulación
(caso base): a) lugar geométrico componentes simétricas instantáneas (i
(a) (b)
Fuente=
: Elaboración propia
Por último, en la Figura 13 se presenta la dinámica adoptada por la potencia instant=
ánea
y promedio inyectada/absorbida en el PCC por cada uno de los agentes del
sistema de prueba, antes y después de la compensación.
<= span style=3D'mso-bookmark:_Hlk71652588'>Participación del BE= SS 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 =3D 1´10-5 s en la función de retardo (=
Figura 7).
Además, para la evaluación del conjunto de ecuaciones (14)-(16) se consider=
a un
valor de k =3D 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 =3D 1). Esto último, se debe a la asignación k =3D 0 en el esquema de cont=
rol del
BESS propuesto.
Figura 11
Compensación del desequilibrio por parte del BESS
(a)
(b)
(c)
(d)
Fuente:
Elabo=
ración
propia
Siguiendo un procedimiento similar a aquel descrito en el caso base, en=
la Figura
12(a) se ha trazado el lugar geométr=
ico 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 micror=
red
(Figura
12(b)) y permite verificar el cumpli=
miento
del primer objetivo de control.
<= o:p>
Compensación del desequilibrio por parte del BESS: a) lugar geométrico componentes simétricas instantáneas (is, red principa= l); b) corriente instantánea del neutro, iN
(a) (b)
Fuente:
Elabo=
ración
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 l=
os
agentes energéticos del sistema de pruebas, antes y después de la intervenc=
ión
del BESS con sus labores de compensación. Nótese que, en el caso base (Figura 13(a)), la potencia instantánea ondu=
latoria
demandada por la carga desequilibrada tiene que ser suplida completamente p=
or
la red principal. Si en este caso, el BESS inyectase/absorbiese potencia ac=
tiva
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 cum=
ple,
por tanto, el segundo objetivo de control.
Potencia activa instantánea: a) caso base, b) compensación por= parte del BESS
(a)
(b)
Fuente:
Elabo=
ración
propia
Finalme=
nte, la Tabla
1 ofrece los resultados más relevan=
tes del
estudio presentado.
<= o:p>
Tabla 1<= /span>
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
Entre l= os principales desafíos operativos derivados de la implementación de microrred= es eléctricas (en modo isla) y sistemas eléctricos débiles y aislados, en gene= ral, 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 condic= ión 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 electrón= icos de potencia en una microrred eléctrica, como es el caso de los sistemas de almacenamiento energético en baterías (BESS), en este trabajo se ha propues= to 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 implement= ados 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 red= ucir efectivamente el grado de desequilibrio en la microrred, para lo cual se ha tomado como referencia el código de red ecuatoriano. Estos resultados, adem= ás, 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 eléctri= ca, 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 retar= dos asociados a las labores de medición, cómputo y procesamiento en el converti= dor electrónico del BESS, los cuales podrían penalizar en mayor o menor medida = la efectividad del método.
<= span lang=3DES-US>Parámetros asignados al modelo de microrred:
Red eléctrica principal (fu=
ente
trifásica): Vab<=
/span>(<=
span
class=3DSpellE>rms) =3D 220 V, f =3D 60 Hz y zth =3D
0.77 W.
Ca=
rga
desequilibrada (modelo serie): R<=
sub>LA
=3D 10.00 W, RLB =3D 9.6=
4 W, =
LLB =3D 30.5 mH, RLC<=
/sub> =3D 8.66 W y CLC =3D 530.52 mF.=
Reconocimientos
El auto=
r expresa
su agradecimiento a la Secretaría de Educación Superior, Ciencia, Tecnologí=
a e
Innovación (SENESCYT) de la República del Ecuador, que, gracias a su apoyo
financiero ha hecho posible su formación a nivel doctoral.
Adouni,
A., & J. Marques Cardoso, A. (2021). Thermal Analysis of Low-=
Power
Three-Phase Induction Motors Operating under Voltage Unbalance and Inter-Tu=
rn
Short Circuit Faults. Machines, 9(1), 2. https://doi.org/=
10.3390/machines9010002
Agencia
de Regulación y Control de Electricidad-ARCONEL. (2018a). Plan Maestro de
Electricidad 2018-2027. =
https://www.recursosyenergia.gob.ec/plan-maestro-de-electricidad/
Agencia
de Regulación y Control de Electricidad-ARCONEL. (2018b). Regulación No.
ARCONEL 005/18. https://www.regulacionelectrica.gob.ec/wp-content/uploads/downloads/2=
019/01/Regulacion-de-Calidad-Suscrita.pdf
Antić,
T., Capuder, T., & Bol=
fek,
M. (2021). A Comprehensive Analysis of the Voltage Unbalance Factor in PV and EV
Rich Non-Synthetic Low Voltage Distribution Networks. Energies, 14(1), 117. https://doi.org/=
10.3390/en14010117
Etxegarai,
A., Eguia, P., Torres, E., Iturregi,
A., & Valverde, V. (2015). Review of grid connection requirements for generat=
ion
assets in weak power grids. Renewable and Sustainable Energy Reviews=
, 41,
1501-1514.
Fortescue, C. L. (1918).
Method of Symmetrical Co-Ordinates Applied to the Solution of Polyphase
Networks. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers=
,
XXXVII (2), 1027-1140. https://doi.org/10.1109/T-AIEE.1918.4765570
Ghosh, A., & Joshi, =
A.
(2000). The use of instantaneous symmetrical components for balancing a del=
ta
connected load and power factor correction. Electric Power Systems Resea=
rch,
54(1), 67-74. https://doi.org/10.1016/S0378-7796(99)00071-1
Grainger, J. J., &
Stevenson, W. D. (2004). Análisi=
s de
sistemas de potencia. MacGraw
Gundumalla<=
/span>, V. B. K.,=
& Eswararao, S. (2018). Ramp Rate Control Strategy for =
an
Islanded DC Microgrid with Hybrid Energy Storage System. 2018 4th
International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES), 82-87. <=
/span>https://doi.org/10.1109/ICEES.2018.8442363=
Huang, S., Pham, D. C., =
Huang,
K., & Cheng, S. (2012). Space vector PWM techniques for current and vol=
tage
source converters: A short review. 2012 15th International Conference on
Electrical Machines and Systems (ICEMS), 1-6.
Karimi, M., Farshad, M.,=
Hong,
Q., Laaksonen, H., & Kauhaniemi, K. (2021).=
An
Islanding Detection Technique for Inverter-Based Distributed Generation in
Microgrids. Energies, 14(1), 130. https://doi.org/10.3390/en14010130
Ko, Y., & Choi, W. (=
2021).
A New SOC Estimation for LFP Batteries: Application in a 10 Ah Cell (HW 381=
20
L/S) as a Hysteresis Case Study. Electronics, 10(6), 705. https://doi.org/10.3390/electronics10060705
Kumar, G. V. B., & <=
span
class=3DSpellE>Palanisamy, K. (2020). A Review of Energy Storage
Participation for Ancillary Services in a Microgrid Environment. Inventi=
ons,
5(4), 63. https://doi.org/10.3390/invention=
s5040063
Kumar, T. P., Chandrashe=
kar,
Y., Subrahmanyam, N., & Sydulu, M. (2015).
Control strategies of a fuzzy controlled grid connected hybrid PV/PEMFC/bat=
tery
distributed generation system. 2015 IEEE Power and Energy Conference at
Illinois (PECI), 1-6. https://doi.org/10.1109/PECI.2015.7064932<=
/a>
Kundur, P. (1994)=
. Power
System Stability and Control (1st ed.). McGraw-Hill. Li, D., Li, F., Rong, D.,
Zheng, K., Wang, D., & Li, Q. (2018). An SVPWM Strategy for Multifuncti=
on
Current Source Converter. 2018 IEEE International Power Electronics and
Application Conference and Exposition (PEAC), 1-6. https://doi.org/=
10.1109/PEAC.2018.8590656 Nájera,
J., Mendonça, H., de Castro, R. M., & Arrib=
as, J.
R. (2019). Strategies Comparison for Voltage Unbalance Mitigation in LV
Distribution Networks Using EV Chargers. Electronics, 8(3), 2=
89. https://doi.org/10.3390/electronics8030289=
Radwan, A., Khouri, I., =
&
Jiang, X. (2020). Modeling and Control of Current-Source Converter-Based AC
Microgrids. 2020 IEEE 8th International Conference on Smart Energy Grid
Engineering (SEGE), 97-101. https://doi.org/10.1109/SEGE49949.2020.9181969 Saponara, S., Saletti, R=
.,
& Mihet-Popa, L. (2019). Hybrid Micro-Grids Exploiting Renewables Sourc=
es,
Battery Energy Storages, and Bi-Directional Converters. Applied Sciences, 9(22), 49-73.
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:10.0pt;color:windowtext'>
Aprovechamiento de Sistem=
as
de Almacenamiento Energético Mediante Baterías para la Mitigación de
Desequilibrios en Microrredes Eléctricas 7