Una microrred es una red eléctrica local con límites eléctricos definidos, que actúa como una entidad única y controlable. [1] Es capaz de funcionar en modo conectado a red y en modo isla. [2] [3] Una ' microrred independiente ' o una ' microrred aislada ' solo funciona fuera de la red y no puede conectarse a un sistema de energía eléctrica más amplio. [4]
Una microrred conectada a la red normalmente funciona conectada y sincrónica con la red síncrona de área amplia tradicional (macrorred), pero puede desconectarse de la red interconectada y funcionar de forma autónoma en "modo isla" según lo dicten las condiciones técnicas o económicas. [5] De esta manera, mejoran la seguridad del suministro dentro de la celda de la microrred y pueden suministrar energía de emergencia, cambiando entre modo isla y modo conectado. [5] Este tipo de redes se denominan ' microrredes islables' . [6]
Una microrred independiente tiene sus propias fuentes de electricidad , complementadas con un sistema de almacenamiento de energía . Se utilizan cuando la transmisión y distribución de energía desde una importante fuente de energía centralizada está demasiado lejos y es costosa de operar. [1] Ofrecen una opción para la electrificación rural en zonas remotas y en islas geográficas más pequeñas. [4] Una microrred independiente puede integrar eficazmente varias fuentes de generación distribuida (GD), especialmente fuentes de energía renovables (RES). [1]
El control y la protección son dificultades para las microrredes, ya que todos los servicios auxiliares para la estabilización del sistema deben generarse dentro de la microrred y los bajos niveles de cortocircuito pueden ser un desafío para el funcionamiento selectivo de los sistemas de protección. Una característica importante también es satisfacer múltiples necesidades de energía útil, como calefacción y refrigeración además de electricidad, ya que esto permite la sustitución de portadores de energía y una mayor eficiencia energética debido a la utilización del calor residual para calefacción, agua caliente sanitaria y refrigeración (uso de energía intersectorial). ). [7]
El Grupo de Intercambio de Microrredes del Departamento de Energía de los Estados Unidos [8] define una microrred como "un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos dentro de límites eléctricos claramente definidos que actúa como una única entidad controlable con respecto a la red". Una microrred puede conectarse y desconectarse de la red para permitirle funcionar tanto en modo conectado a la red como en modo isla". [9]
El Laboratorio de Berkeley lo define: "Una microrred consiste en la generación y el almacenamiento de energía que pueden alimentar un edificio, campus o comunidad cuando no están conectados a la red eléctrica, por ejemplo, en caso de un desastre". Una microrred que se puede desconectar de la red pública (en el "punto de acoplamiento común" o PCC) se denomina "microrred aislable". [6]
Un proyecto de investigación de la UE [10] describe una microrred que comprende sistemas de distribución de baja tensión (BT) con recursos energéticos distribuidos (DER) ( microturbinas , pilas de combustible , energía fotovoltaica (PV), etc.), dispositivos de almacenamiento ( baterías , volantes ) de energía. Sistema de almacenamiento y cargas flexibles. Estos sistemas pueden funcionar conectados o desconectados de la red principal. La operación de microfuentes en la red puede proporcionar beneficios para el rendimiento general del sistema, si se gestiona y coordina de manera eficiente. [ cita necesaria ]
Electropedia define una microrred como un grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos, que forman un sistema de energía eléctrica local en niveles de voltaje de distribución, es decir, tanto de baja como de media tensión hasta 35 kV. Este grupo de nodos consumidores y productores asociados actúa como una única entidad controlable y puede operar en modo isla o conectado a la red. [3]
Una microrred independiente o una microrred aislada, a veces denominada "red insular", sólo funciona fuera de la red y no puede conectarse a un sistema de energía eléctrica más amplio. Suelen estar diseñados para islas geográficas o para electrificación rural. [4] En muchos países no industrializados, las microrredes que se utilizan para proporcionar acceso a la electricidad en zonas que antes no estaban electrificadas suelen denominarse " minirredes ". [11]
El objetivo de las microrredes de campus es agregar la generación existente en el sitio para soportar múltiples cargas ubicadas en un área geográfica estrecha donde un propietario pueda administrarlas fácilmente. [12] [13]
Las microrredes comunitarias pueden atender a miles de clientes y respaldar la penetración de la energía local (electricidad, calefacción y refrigeración). [14] En una microrred comunitaria, algunas casas pueden tener algunas fuentes renovables que pueden satisfacer su demanda así como la de sus vecinos dentro de la misma comunidad. La microrred comunitaria también puede tener un almacenamiento de energía centralizado o varios distribuidos. Dichas microrredes pueden tener la forma de una microrred de CA y CC acopladas entre sí a través de un convertidor electrónico de potencia bidireccional. [15]
Estas microrredes generalmente no están diseñadas ni destinadas a conectarse a la macrorred y, en cambio, funcionan en modo isla en todo momento debido a cuestiones económicas o posición geográfica. Normalmente, una microrred "fuera de la red" se construye en áreas que están muy alejadas de cualquier infraestructura de transmisión y distribución y, por lo tanto, no tienen conexión a la red eléctrica. [12] [16] Los estudios han demostrado que operar microrredes fuera de la red en áreas remotas o islas, dominadas por fuentes renovables, reducirá el costo nivelado de producción de electricidad durante la vida útil de dichos proyectos de microrredes. [17] [18] En algunos casos, las microrredes fuera de la red se incorporan a una red nacional o 'macrored', un proceso que requiere planificación técnica, regulatoria y legal. [19]
Grandes áreas remotas pueden ser abastecidas por varias microrredes independientes, cada una con un propietario (operador) diferente. Aunque estas microrredes están diseñadas tradicionalmente para ser autosuficientes energéticamente, las fuentes renovables intermitentes y sus variaciones inesperadas y bruscas pueden provocar una escasez inesperada de energía o una generación excesiva en esas microrredes. Sin almacenamiento de energía y controles inteligentes, esto provocará inmediatamente una desviación inaceptable de voltaje o frecuencia en las microrredes. Para remediar tales situaciones, es posible interconectar dichas microrredes provisionalmente a una microrred vecina adecuada para intercambiar energía y mejorar las desviaciones de voltaje y frecuencia. [20] [21] Esto se puede lograr a través de un interruptor basado en electrónica de potencia [22] [23] después de una sincronización adecuada [24] o una conexión espalda con espalda de dos convertidores electrónicos de potencia [25] y después de confirmar la estabilidad de el nuevo sistema. La determinación de la necesidad de interconectar microrredes vecinas y encontrar la microrred adecuada para acoplarse se puede lograr mediante enfoques de optimización [26] o toma de decisiones [27] .
Dado que las microrredes remotas fuera de la red suelen ser pequeñas y construirse desde cero, tienen el potencial de incorporar las mejores prácticas del sector eléctrico mundial e incorporar e impulsar la innovación energética. [28] Ahora es común ver microrredes remotas fuera de la red alimentadas en gran medida con energía renovable y operadas con controles inteligentes a nivel del cliente, algo que no siempre es fácil de implementar en el sector energético más amplio debido a los intereses actuales y a los intereses más antiguos y preexistentes. -infraestructura existente. [29] [30]
Estas microrredes se están implementando activamente centrándose en la seguridad física y cibernética de las instalaciones militares con el fin de garantizar una energía confiable sin depender de la macrorred . [12] [31]
Estos tipos de microrredes están madurando rápidamente en América del Norte y el este de Asia; sin embargo, la falta de estándares bien conocidos para este tipo de microrredes las limita a nivel mundial. Las principales razones para la instalación de una microrred industrial son la seguridad del suministro eléctrico y su fiabilidad. Hay muchos procesos de fabricación en los que una interrupción del suministro eléctrico puede provocar grandes pérdidas de ingresos y un largo tiempo de puesta en marcha. [12] [16] Las microrredes industriales pueden diseñarse para suministrar procesos industriales de economía circular con emisiones (casi) nulas y pueden integrar la generación combinada de calor y energía (CHP), alimentadas tanto por fuentes renovables como por el procesamiento de residuos; El almacenamiento de energía se puede utilizar adicionalmente para optimizar las operaciones de estos subsistemas. [32] Las microrredes también pueden ser ancladas por un gran minorista comercial con una gran cantidad de generación por razones económicas o de resiliencia. [33]
Se necesitan arquitecturas para gestionar el flujo de energía desde diferentes tipos de fuentes hacia la red eléctrica. Así, la microrred se puede clasificar en tres topologías: [34]
Las fuentes de alimentación con salida de CA están conectadas al bus de CA a través de un convertidor CA/CA que transformará la frecuencia y el voltaje variables de CA en una forma de onda de CA con otra frecuencia y otro voltaje. Mientras que las fuentes de alimentación con salida CC utilizan convertidores CC/CA para la conexión al bus CA.
En la topología de microrred de CC, las fuentes de energía con salida de CC se conectan al bus de CC directamente o mediante convertidores CC/CC. Por otro lado, las fuentes de alimentación con salida CA se conectan al bus CC mediante un convertidor CA/CC.
La microrred híbrida tiene topología para salida de fuente de alimentación de CA y CC. Además, los buses de CA y CC están conectados entre sí a través de un convertidor bidireccional, lo que permite que la energía fluya en ambas direcciones entre los dos buses.
Una microrred presenta varios tipos de fuentes de generación que suministran electricidad, calefacción y refrigeración al usuario. Estas fuentes se dividen en dos grupos principales: fuentes de energía térmica (por ejemplo, generadores de gas natural o biogás o microcombinación de calor y energía ) y fuentes de generación renovable (por ejemplo, turbinas eólicas y solares). [ cita necesaria ]
En una microrred, el consumo se refiere simplemente a los elementos que consumen electricidad, calor y refrigeración, que van desde dispositivos individuales hasta los sistemas de iluminación y calefacción de edificios, centros comerciales, etc. En el caso de cargas controlables, el consumo eléctrico se puede modificar según a las demandas de la red. [ cita necesaria ]
En la microrred, el almacenamiento de energía puede realizar múltiples funciones, como garantizar la calidad de la energía, incluida la regulación de frecuencia y voltaje, suavizar la producción de fuentes de energía renovables, proporcionar energía de respaldo para el sistema y desempeñar un papel crucial en la optimización de costos. Incluye todas las tecnologías químicas, eléctricas, de presión, gravitacionales, de volante y de almacenamiento de calor. Cuando en una microrred se encuentran disponibles múltiples almacenamientos de energía con diversas capacidades, se prefiere coordinar su carga y descarga de manera que un almacenamiento de energía más pequeño no se descargue más rápido que aquellos con mayores capacidades. Asimismo, es preferible que uno más pequeño no se cargue por completo antes que los de mayor capacidad. Esto se puede lograr mediante un control coordinado de los acumuladores de energía en función de su estado de carga. [35] Si se utilizan múltiples sistemas de almacenamiento de energía (posiblemente trabajando en diferentes tecnologías) y están controlados por una unidad de supervisión única (un sistema de gestión de energía - EMS), un control jerárquico basado en una arquitectura maestro/esclavo puede garantizar las mejores operaciones. particularmente en el modo isla. [32]
Este es el punto del circuito eléctrico donde una microrred se conecta a una red principal. [36] Las microrredes que no tienen un PCC se denominan microrredes aisladas y generalmente están presentes en sitios remotos (por ejemplo, comunidades remotas o sitios industriales remotos) donde una interconexión con la red principal no es factible debido a limitaciones técnicas o económicas. [ cita necesaria ]
Una microrred es capaz de funcionar en modo autónomo y conectado a la red y de manejar la transición entre los dos. En el modo conectado a la red, se pueden proporcionar servicios auxiliares mediante la actividad comercial entre la microrred y la red principal. Existen otras posibles fuentes de ingresos. [37] En el modo isla, la potencia real y reactiva generada dentro de la microrred, incluida la proporcionada por el sistema de almacenamiento de energía, debe estar en equilibrio con la demanda de las cargas locales. Las microrredes ofrecen una opción para equilibrar la necesidad de reducir las emisiones de carbono y seguir proporcionando energía eléctrica confiable en períodos de tiempo en los que no hay fuentes de energía renovables disponibles. Las microrredes también ofrecen la seguridad de estar protegidas contra condiciones climáticas adversas y desastres naturales al no tener grandes activos ni kilómetros de cables sobre el suelo y otras infraestructuras eléctricas que deban mantenerse o repararse después de tales eventos. [38] [39]
Una microrred puede realizar una transición entre estos dos modos debido a un mantenimiento programado, una calidad de energía degradada o una escasez en la red anfitriona, fallas en la red local o por razones económicas. [39] [40] Al modificar el flujo de energía a través de los componentes de las microrredes, las microrredes facilitan la integración de energías renovables, como la generación fotovoltaica, eólica y de pilas de combustible, sin necesidad de rediseñar el sistema de distribución nacional. [40] [41] [42] También se pueden incorporar métodos de optimización modernos al sistema de gestión de energía de la microrred para mejorar la eficiencia, la economía y la resiliencia. [38] [43] [42] [44]
Las microrredes, y la integración de unidades de recursos energéticos distribuidos (DER) en general, introducen una serie de desafíos operativos que deben abordarse en el diseño de sistemas de control y protección, para garantizar que los niveles actuales de confiabilidad no se vean afectados significativamente. y se aprovechan al máximo los beneficios potenciales de las unidades de generación distribuida (GD). Algunos de estos desafíos surgen de supuestos típicamente aplicados a los sistemas de distribución convencionales que ya no son válidos, mientras que otros son el resultado de problemas de estabilidad que antes se observaban sólo a nivel del sistema de transmisión. [39] Los desafíos más relevantes en la protección y control de microrredes incluyen:
Para planificar e instalar microrredes correctamente, se necesita modelado de ingeniería. Existen múltiples herramientas de simulación y herramientas de optimización para modelar los efectos económicos y eléctricos de las microrredes. Una herramienta de optimización económica ampliamente utilizada es el Modelo de Adopción del Cliente de Recursos Energéticos Distribuidos (DER-CAM) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Otro es HOMER (Modelo Híbrido de Optimización de Múltiples Recursos Energéticos), desarrollado originalmente por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables . También existen algunas herramientas de diseño eléctrico y flujo de energía que guían a los desarrolladores de microrredes. El Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico diseñó la herramienta GridLAB-D disponible públicamente y el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) diseñó OpenDSS. Una herramienta europea que se puede utilizar para la simulación de la demanda de calor de procesos, refrigeración, calefacción y electricidad es EnergyPLAN de la Universidad de Aalborg en Dinamarca. La herramienta de planificación de redes de código abierto OnSSET se ha implementado para investigar las microrredes mediante un análisis de tres niveles que comienza con los arquetipos de asentamiento (caso estudiado en Bolivia ). [49]
En lo que respecta a la arquitectura de control de la microrred, o cualquier problema de control, se pueden identificar dos enfoques diferentes: centralizado [38] [50] y descentralizado. [51] Un control totalmente centralizado se basa en una gran cantidad de transmisión de información entre las unidades involucradas antes de que se tome una decisión en un solo punto. La implementación es difícil ya que los sistemas de energía interconectados generalmente cubren ubicaciones geográficas extensas e involucran una enorme cantidad de unidades. Por otro lado, en un control totalmente descentralizado, cada unidad es controlada por su controlador local sin conocer la situación de las demás. [52] Se puede lograr un compromiso entre esos dos esquemas de control extremos mediante un esquema de control jerárquico [53] que consta de tres niveles de control: primario, secundario y terciario. [38] [39] [54]
El control primario está diseñado para satisfacer los siguientes requisitos:
El control primario proporciona los puntos de ajuste para un controlador inferior que son los bucles de control de voltaje y corriente de los DER. Estos bucles de control internos se denominan comúnmente control de nivel cero. [55]
El control secundario tiene típicamente un tiempo de muestreo de segundos a minutos (es decir, más lento que el anterior) lo que justifica la dinámica desacoplada de los bucles de control primario y secundario y facilita sus diseños individuales. La consigna de control primario está dada por el control secundario [56] en el que, a modo de controlador centralizado, restablece la tensión y frecuencia de la microrred y compensa las desviaciones provocadas por variaciones de cargas o fuentes renovables. El control secundario también puede diseñarse para satisfacer los requisitos de calidad de la energía , por ejemplo, equilibrio de voltaje en buses críticos. [55]
El control terciario es el último (y el más lento) nivel de control, que considera aspectos económicos en el funcionamiento óptimo de la microrred (el tiempo de muestreo es de minutos a horas) y gestiona el flujo de energía entre la microrred y la red principal. [55] Este nivel a menudo implica la predicción del clima, la tarifa de la red y las cargas en las próximas horas o días para diseñar un plan de despacho de generadores que logre ahorros económicos. [42] Las técnicas más avanzadas también pueden proporcionar un control de extremo a extremo de una microrred utilizando técnicas de aprendizaje automático , como el aprendizaje por refuerzo profundo . [57]
En caso de emergencias como apagones, el control terciario puede gestionar un grupo de microrredes interconectadas para formar lo que se denomina "agrupación de microrredes", actuando como una central eléctrica virtual para seguir suministrando cargas críticas. Durante estas situaciones, el controlador central debe seleccionar una de las microrredes como reserva (es decir, maestra) y el resto como PV y buses de carga de acuerdo con un algoritmo predefinido y las condiciones existentes del sistema (es decir, demanda y generación). En este caso, el control debe ser en tiempo real o al menos a una alta frecuencia de muestreo. [45]
Un marco de controlador menos influenciado por la utilidad es el del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos , el IEEE 2030.7. [58] El concepto se basa en 4 bloques: a) Control a nivel de dispositivo (por ejemplo, control de voltaje y frecuencia), b) Control de área local (por ejemplo, comunicación de datos), c) Control de supervisión (software) (por ejemplo, optimización del despacho prospectivo de generación y cargar recursos), y d) capas de red (por ejemplo, comunicación con la empresa de servicios públicos). [ cita necesaria ]
Existe una amplia variedad de algoritmos de control complejos, lo que dificulta que las pequeñas microrredes y los usuarios de recursos energéticos distribuidos residenciales (DER) implementen sistemas de control y gestión de energía. Las actualizaciones de las comunicaciones y los sistemas de información de datos pueden resultar costosas. Algunos proyectos intentan simplificar y reducir los gastos de control mediante productos disponibles en el mercado (por ejemplo, utilizando una Raspberry Pi). [59] [60]
El proyecto del PNUD “Resiliencia rural mejorada en Yemen” (ERRY) utiliza microrredes solares de propiedad comunitaria. Reduce los costos de energía a sólo 2 centavos por hora (mientras que la electricidad generada con diésel cuesta 42 centavos por hora). Ganó los Premios Ashden de Energía Humanitaria en 2020. [61]
En la primavera de 2020 se inició un programa piloto de dos años, llamado Harmon'Yeu, para interconectar 23 casas en el vecindario de Ker Pissot y áreas circundantes con una microrred que se automatizó como una red inteligente con software de Engie . En cinco casas se instalaron sesenta y cuatro paneles solares con una capacidad máxima de 23,7 kW y en una casa se instaló una batería con una capacidad de almacenamiento de 15 kWh. Seis casas almacenan el exceso de energía solar en sus calentadores de agua. Un sistema dinámico distribuye la energía proporcionada por los paneles solares y almacenada en la batería y los calentadores de agua al sistema de 23 casas. El software de red inteligente actualiza dinámicamente el suministro y la demanda de energía en intervalos de 5 minutos, decidiendo si extraer energía de la batería o de los paneles y cuándo almacenarla en los calentadores de agua. Este programa piloto fue el primero de su tipo en Francia. [62] [63]
Se implementa una microrred gestionada de forma inalámbrica en la zona rural de Les Anglais , Haití. [64] El sistema consta de una arquitectura de tres niveles con un servicio de monitoreo y control basado en la nube, una infraestructura de puerta de enlace integrada local y una red de malla de medidores inteligentes inalámbricos desplegados en más de 500 edificios. [28]
Las pérdidas no técnicas (NTL) representan un desafío importante a la hora de brindar un servicio eléctrico confiable en los países en desarrollo, donde a menudo representan entre el 11% y el 15% de la capacidad de generación total. [65] Una simulación exhaustiva basada en datos de setenta y dos días de datos de medidores inalámbricos de una microrred de 430 hogares implementada en Les Anglais investigó cómo distinguir NTL de las pérdidas totales de energía, ayudando en la detección del robo de energía. [66]
El Proyecto de Electricidad de Mpeketoni, un sistema comunitario de microrred impulsado por diésel, se creó en la zona rural de Kenia, cerca de Mpeketoni. Debido a la instalación de estas microrredes, Mpeketoni ha experimentado un gran crecimiento en su infraestructura. Dicho crecimiento incluye un aumento de la productividad por trabajador, en valores del 100% al 200%, y un aumento del nivel de ingresos del 20% al 70%, según el producto. [67]
Una bodega con microturbinas, pilas de combustible, baterías múltiples, electrolizador de hidrógeno y energía fotovoltaica en Sonoma, California. [68] [69]
grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos que forman un sistema de energía eléctrica local en niveles de voltaje de distribución, que actúa como una única entidad controlable y es capaz de operar en modo isla o conectado a la red
grupo de cargas interconectadas y recursos energéticos distribuidos con límites eléctricos definidos que forman un sistema de energía eléctrica local en niveles de voltaje de distribución, que no se pueden conectar a un sistema de energía eléctrica más amplio.
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