Sistemas de pruebas de potencia para smartgrid

Resumen

Los problemas asociados al uso de combustibles fósiles nos están llevando como sociedad a una transición energética hacia las energías renovables. Para su integración, la red eléctrica actual está evolucionando a una red eléctrica inteligente, o también denominada Smartgrid. Pero esta evolución supone un aumento en la complejidad de su funcionamiento, sobre todo en las redes de distribución. En las redes eléctricas se van a necesitar nuevos equipos, con nuevas funcionalidades, que interactúen y comuniquen con sistemas de otros fabricantes para garantizar en todo momento la calidad y seguridad de suministro, equilibrando la balanza entre generación y consumo. Este salto disruptivo pone en riesgo la gran fiabilidad que estos nuevos equipos deben mostrar durante su operación. Por ello, el desarrollo y mejora de los métodos de prueba para la validación de estos sistemas es clave para el éxito de su despliegue. El presente trabajo de investigación tiene dos objetivos principales. El primer objetivo es la identificación, análisis y mejora de los métodos de prueba actuales para la Smartgrid, centrándose en aquellos que permitan la verificación y validación de los sistemas de potencia. El segundo objetivo es el lanzamiento de un servicio tecnológico que permita mejorar las capacidades técnicas actuales en el territorio, necesarias para el despliegue del equipamiento requerido en el desarrollo de la Smartgrid. Para ello, en primer lugar se ha realizado un revisión de los métodos de prueba para equipos de la Smartgrid, clasificándolos según su precio, fidelidad y cobertura. Esta clasificación muestra que la técnica de pruebas que ofrece la mejor relación entre cobertura y fidelidad para sistemas de potencia es Power Hardware-In-the-Loop (PHIL). Además, la disposición de esta bancada por parte de los laboratorios también ofrece otras técnicas de prueba interesantes, tales como la simulación y las restantes técnicas en bucle cerrado (MIL, SIL, PIL y HIL). Dada las capacidades de esta técnica de pruebas, se ha desarrollado un nuevo procedimiento para el dimensionamiento de una bancada PHIL, recopilando información tanto del equipamiento comercial, como de prototipos y diferentes pruebas desarrolladas en laboratorios. Además, se ha definido y clasificado la información relevante a documentar de una prueba PHIL para poder reproducir el experimento y reutilizar las configuraciones utilizadas. Esta clasificación de la información ha sido utilizada para la creación de una base de datos en línea, permitiendo a los usuarios consultar la información de las pruebas realizadas por otros laboratorios a equipos de interés común, así como incluir la información de sus nuevos experimentos. También se ha realizado un análisis de los elementos que componen el lazo cerrado de control de una bancada PHIL, proponiendo mejoras que consiguen aumentar la máxima frecuencia de emulación hasta cinco veces respecto las bancadas actuales. Para la ejecución de estas mejoras, se ha realizado el diseño conceptual de una nueva plataforma PHIL, que posibilita la prueba de equipos en varios puntos de conexión de la red eléctrica. A su vez, también se ha desarrollado un simulador embebido que permite la ejecución de modelos multiplataforma y su modelado en herramienta gráfica. Estas mejoras se cierran con la propuesta de un amplificador de corriente de gran ancho de banda, basado en la topología de un convertidor masivamente paralelo. En el análisis de los requerimientos de los sistemas de ensayo, se ha observado que para aquellas pruebas de sistemas de potencia con un protocolo de maniobra hardware y de comunicaciones muy específico y repetitivo (como por ejemplo, los cargadores de vehículo eléctrico), la utilización de emuladores de potencia puede suponer un ahorro importante en el tiempo de desarrollo y ejecución de los ensayos. Estos emuladores además ofrecen también ventajas operativas en pruebas muy acotadas o repetitivas respecto el método PHIL. Por este motivo, se presenta el desarrollo de un emulador de vehículo eléctrico V2G para la comprobación de cargadores bidireccionales. El funcionamiento de este emulador ha sido verificado en laboratorio ante un equipo real. Para la realización de este prototipo, dentro de esta tesis se ha diseñado el control de tensión de salida de batería, el filtro de salida utilizando la técnica de espacio de diseño y la implementación del código de su tarjeta de control. También se ha diseñado el control de reactiva para compensar la potencia de los cargadores durante la prueba. Para finalizar, se presenta el Laboratorio de Estudios y Ensayos de Electrónica de Potencia (LE3P) en las instalaciones de CIRCE, desarrollado en el marco de esta tesis. Este laboratorio ofrece un servicio tecnológico a las universidades, centros de investigación tecnológicos y empresas para el despliegue de nuevo equipamiento de potencia para la Smartgrid. En este servicio se define un modelo de desarrollo en V, complementándolo con el equipamiento utilizable dentro del mismo y las diferentes técnicas de prueba disponibles. Como muestra de este lanzamiento, en los anexos se describen dos pruebas realizadas dentro del LE3P a prototipos desarrollados en proyectos europeos.