Estratègies de control per a les Microxarxes

 1. Introducció

L'augment de la penetració de les energies renovables, especialment dels sistemes fotovoltaics solars (PV), als sistemes elèctrics planteja reptes i oportunitats. Les microxarxes (MG) s'han convertit en una infraestructura per integrar aquestes fonts d'energia a la xarxa, oferint una gestió energètica fiable i eficient tant en modes connectats a la xarxa com aïllats. Tot seguit, es revisen tècniques de control avançades per gestionar les operacions de les MG, les transicions entre els modes d'operació, les estratègies de sincronització i la previsió d'irradiació solar per garantir una generació i subministrament d'energia estables i robustos.

2. Control jeràrquic en les Microxarxes

Les microxarxes solen utilitzar un esquema de control jeràrquic que consisteix en tres nivells: control primari, secundari i terciari. Aquesta estructura està dissenyada per complir diversos requisits operatius, assegurant un rendiment òptim tant en escenaris connectats a la xarxa com en mode aïllat.

• Control Primari: Aquest nivell garanteix l'estabilitat local de les unitats de generació distribuïda (DG) ajustant autònomament la tensió i la freqüència, operant a una ràpida velocitat de resposta.
• Control Secundari: És responsable de corregir les desviacions de freqüència i tensió causades per les unitats DG en mode de control primari. Corregeix els desequilibris a un horitzó temporal més llarg.
• Control Terciari: Aquest nivell optimitza el flux de potència i l'intercanvi d'energia entre la MG i la xarxa elèctrica. Garanteix que s'assoleixi l'eficiència econòmica i operativa màxima de la MG.

Un exemple d'aquest sistema de control jeràrquic és el Grup de Coordinació de Control Multi-Agent (MCCG), dissenyat per a una microxarxa intel·ligent basada en inversors de maerna que assegura l'equilibri de tensió i freqüència, gestionant eficaçment les transicions entre diferents modes operatius.

3. Transició Entre els Modes Connectat a la Xarxa i Aïllat

Una de les funcions més crítiques d'una microxarxa és garantir una transició sense interrupcions entre els modes connectat a la xarxa i aïllat. Aquesta capacitat és fonamental per minimitzar els transitoris, protegir les càrregues locals i mantenir l'estabilitat del sistema durant les transicions operatives. Diverses estratègies s'han proposat per aconseguir una transició suau.

L'èxit de la transició depèn de l'elecció del bucle de control adequat. En mode connectat a la xarxa, el control per retroalimentació gestiona els inversors, mentre que en mode aïllat, domina el control de tensió. Per als convertidors paral·lels, s'utilitza el control basat en pendents per assegurar una generació estable d'energia per a les càrregues locals en operació aïllada. És necessari sincronitzar correctament abans de reconnectar la microxarxa a la xarxa per evitar grans transitoris de tensió i corrent, i això es fa normalment amb estratègies de control de pendent basades en tensió (VBD).

4. Sincronització de la Microxarxa

La sincronització d'una microxarxa amb la xarxa principal és un altre aspecte important per garantir una operació estable. S'han investigat diversos mètodes de bucle de bloqueig de fase (PLL), com el PLL senzill, PLL millorat i PLL de quadratura, per detectar i corregir desajustos de fase. Tècniques avançades com el filtratge adaptatiu milloren la sincronització detectant ràpidament les desviacions de freqüència, especialment sota càrregues desequilibrades o senyals distorsionats.

Per a una millor sincronització, sovint s'utilitza un bucle de contro. Aquest bucle sincronitza els inversors amb fonts de tensió (VSI) dins la microxarxa, ajustant la seva tensió i freqüència per igualar els paràmetres de la xarxa. Això permet transicions entre els modes aïllat i connectat a la xarxa.

5. Previsió d'Irradiació Solar

L'energia solar és una de les fonts renovables més prominents, però la seva intermitència i variabilitat poden plantejar reptes per a l'estabilitat de la xarxa. Per minvar aquests problemes, és essencial tenir una previsió precisa de la irradiació solar per predir la quantitat d'energia generada pels sistemes fotovoltaics.

Existeixen diversos mètodes de previsió al llarg dels anys, que van des de models estadístics senzills fins a tècniques avançades d'aprenentatge automàtic i profund. Aquests mètodes utilitzen dades històriques, mesures meteorològiques i imatges de satèl·lits per millorar l'exactitud de les previsions.

• Probabilístics: Tècniques com la regressió de K-Nearest Neighbors més propers i els mètodes d'anàlisi de conjunts s'utilitzen per preveure la radiació solar basant-se en patrons històrics.
• Models d'Aprenentatge Automàtic: Models avançats, com les xarxes de memòria a llarg termini (LSTM), unitats recurrents amb porta (GRU) i xarxes neuronals recurrents (RNN), s'apliquen tant per a la previsió a curt termini (hores o dies) com a llarg termini (mesos o anys). S'ha demostrat que el model GRU és el més eficient per a previsions precises.

Aquests mètodes permeten als operadors de microxarxes i serveis elèctrics predir millor les fluctuacions en la producció solar i ajustar les estratègies de gestió d'energia en conseqüència, cosa que condueix a sistemes d'energia més fiables i eficients.

6. Perspectives Futures en el Control de Microxarxes i la Previsió d'Energia Solar

La integració de nivells alts de generació solar fotovoltaica a les xarxes elèctriques modernes continua evolucionant. S'han identificat diverses direccions de recerca futura per abordar els desafiaments i millorar el rendiment global de les microxarxes:

1. Control d'Inèrcia Virtual: Cal seguir treballant i invesntigant en el desenvolupament d'estratègies avançades de control d'inèrcia virtual per compensar la disminució d'inèrcia a les xarxes amb alta penetració fotovoltaica.
2. Sistemes Híbrids d'Emmagatzematge d'Energia: La combinació de sistemes d'emmagatzematge d'energia basats en bateries amb supercondensadors pot abordar els reptes relacionats amb l'inèrcia sintètica i la regulació de freqüència.
3. Control Avançat per a Inversors Distribuïts: Les tècniques de control predictiu basat en models (MPC) poden aplicar-se als inversors distribuïts per millorar la seva operació en mode aïllat i connectat a la xarxa, assegurant transicions suaus i una millor sincronització amb la xarxa.
4. Integració del Vehicle-a-Xarxa (V2G): Desenvolupar carregadors V2G amb control multicanal que admetin fluxos bidireccionals d'energia activa i reactiva pot millorar l'estabilitat de la xarxa i proporcionar serveis auxiliars addicionals per al control de tensió i freqüència.

7. Conclusió

Les estratègies de control i els avenços tecnològics necessaris per a una gestió eficient de les operacions de les microxarxes i la previsió de l'energia solar. La integració reeixida de la generació fotovoltaica a gran escala a les xarxes elèctriques depèn d'una combinació d'estratègies de control jeràrquic, transicions suaus entre modes d'operació, mecanismes de sincronització robustos i previsions precises de la producció solar. El desenvolupament de tècniques de control avançades i models de previsió intel·ligents serà crucial per garantir l'estabilitat, la fiabilitat i la resiliència dels futurs sistemes d'energia.


Ramon Gallart.