Capítulo 1 – Introducción y objetivos 1

Capítulo 1

Introducción y objetivos

En este capítulo se va a poner de manifiesto el panorama actual del sistema eléctrico español y la

implantación de los distintos avances que está sufriendo nuestra sociedad, como pueden ser la

implantación de la generación distribuida o el impacto de los coches eléctricos en el sistema eléctrico.

1.1. Problemática de las redes de distribución actuales

El sector de la distribución de energía eléctrica está en la actualidad atravesando una situación crítica

debido a la combinación de una serie de factores: crecimiento de la demanda (si bien este factor se ha

visto frenado en el caso español debido a la crisis económica que afecta al país), objeciones

medioambientales y sociales a la realización de nuevas infraestructuras eléctricas, dificultades

económicas para invertir en nuevos elementos de red, condiciones regulatorias no excesivamente

estables y, finalmente, requerimientos de calidad de suministro por parte del cliente final cada vez más

exigente. A este ya de por sí complicado escenario se unen otros factores que dificultan aún más si cabe

la operación de redes de distribución tradicionales. Por una parte, inversores privados han sido atraídos

al sector de la generación eléctrica mediante fuentes renovables de energía. Esto se debe

principalmente a las altas primas que desde los gobiernos se ofrecieron a la generación basada en

recursos energéticos como el solar, el eólico o la biomasa o al aprovechamiento eficiente de la energía a

través de cogeneraciones. En este sentido, es importante remarcar que la penetración en redes de

distribución de media tensión (MT) y baja tensión (BT) de las tecnologías asociadas a cada una de estas

fuentes energéticas no es pareja. Así, la energía eólica es prácticamente inexistente en redes MT y BT,

debido a que tanto fabricantes de equipos como promotores se focalizan en grandes parques de

producción. Sin embargo, una vez que están prácticamente agotadas las concesiones de este tipo de

grandes instalaciones, el sector debe buscar nuevas alternativas de instalación en redes MT y BT con

unidades de menor potencia [1], lo cual podría aumentar todavía más la presencia de generación en

este tipo de redes. Por otra parte, el desarrollo que la movilidad eléctrica está experimentando en los

últimos años con los coches puramente eléctricos en sus modalidades convencional (cargas eléctricas

puras) y V2G (vehículos con posibilidad de inyectar potencia activa a la red) puede afectar notablemente

a la red de distribución dependiendo de factores como tiempo de recarga y horario en la que esta se

efectúe.

Por estos motivos, el actual panorama de las redes de distribución muestra que se están dando los

primeros pasos en la progresión de las clásicas redes pasivas de distribución hacia las futuras redes

inteligentes o smart-grids en las que se prevé la presencia de generación distribuida y coches eléctricos.

Como consecuencia, es el momento de analizar si la actual estructura radial de las redes de distribución

MT y BT, constituidas por alimentadores arborescentes diseñados para suministrar la potencia desde las

subestaciones de reparto hacia las cargas, es la más adecuada teniendo en cuenta el escenario futuro al

que éstas se enfrentan.

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Una alternativa a las redes radiales consiste en una topología mallada. No obstante, esto plantea una

serie de problemas como el aumento de la potencia de cortocircuito o la imposibilidad de controlar el

flujo de potencia. Una posible solución a este problema podría conseguirse con la incorporación de

elementos basados en electrónica de potencia que sean capaces de regular los flujos de potencia entre

los alimentadores posibilitando un mallado flexible de la red.

1.2. Mallado flexible de las redes de distribución

El mallado flexible consiste en realizar dicho mallado entre alimentadores vecinos de las redes de

distribución, tanto MT como BT, a través de convertidores electrónicos de manera que pueda ser

controlado el flujo de potencia entre dichos alimentadores, tal y como se muestra en la Figura 1 para un

caso en la red MT. Estos convertidores electrónicos recibirán el nombre de enlace flexible

independientemente de la topología adoptada.

FIGURA 1 - MALLADO FLEXIBLE DE DOS ALIMENTADORES DE LA RED DE MT MEDIANTE UN CONVERTIDOR ELECTRÓNICO.

Las ventajas de la utilización de los enlaces flexibles se pueden resumir en los siguientes aspectos:

Regulación de la potencia activa trasvasada de un alimentador a otro de forma continua y en

cualquier sentido, dando lugar a un bucle virtual cuyo grado de mallado puede ser controlado en

cada instante de acuerdo a las necesidades de la red. Esta estrategia es netamente superior al

mallado a través de un seccionador debido a que en este caso se tendría un flujo de potencia que

dependería de la diferencia de ángulos de las tensiones de las subestaciones de cabecera, no

pudiéndose mallar subestaciones que estuvieran distantes eléctricamente.

Regulación de la tensión en el lado de alterna mediante los necesarios aportes de potencia

reactiva dependiendo de la topología empleada en el enlace flexible. Este aspecto es

particularmente destacable teniendo en cuenta que los puntos de apoyo entre alimentadores se

encuentran habitualmente lejos de la cabecera de los mismos, donde resulta más difícil mantener

las tensiones dentro de los límites reglamentarios.

Compensación de desequilibrios y armónicos ayudando a mejorar la calidad de onda y

disminuyendo las pérdidas adicionales asociadas a los mismos.

Sin embargo, la utilización de esta topología presenta los siguientes inconvenientes:

Los convertidores en fuente de tensión (Voltage Source Converters – VSCs) deben estar

dimensionados para la potencia nominal que se va a trasvasar entre los alimentadores, al tratarse

de un dispositivo conectado en cascada. Por este motivo, el coste económico asociado a esta

tecnología es elevado.

Capítulo 1 – Introducción y objetivos 3

Existe la necesidad de utilizar transformadores de conexión a red, lo cual dificulta su

instalación en centros de transformación ya existentes dado que se necesitarían transformadores

de la potencia nominal a trasvasar, a lo cual hay que sumar el elevado volumen ocupado por los

convertidores.

Ello puede condicionar fuertemente la implantación real de este tipo de dispositivos. De forma

adicional, se desea extender a la red BT esta filosofía de explotación debido principalmente a dos

motivos. Por una parte, en la red BT se prevé en un futuro cercano una integración de generación

distribuida mayor y la presencia de nuevas cargas como el coche eléctrico. Por otra, la menor potencia

nominal de los dispositivos electrónicos necesarios para la red BT puede suponer una mayor

aplicabilidad de los enlaces flexibles debido al reducido coste en comparación con las aplicaciones de la

red MT.

Para poner a prueba este mallado flexible de una red se propone utilizar la red CIGRE C06.04.02 para

escalarla a niveles admisibles para laboratorio y montar convertidores en dicha red simulando cargas y

generaciones en la misma.

1.3. Red a escala basada en la red CIGRE C06.04.02

Durante las últimas décadas la ingeniería eléctrica ha experimentado un aumento paulatino de

confianza en las herramientas de simulación para diseñar o evaluar el funcionamiento de dispositivos o

procedimientos [2], [3]. Las ventajas de las herramientas de simulación resultan evidentes: coste

reducido y facilidad de uso. De esta forma, es relativamente sencillo probar algoritmos, procedimientos

e incluso diseñar dispositivos mediante las herramientas de simulación adecuadas.

Sin embargo, la etapa de diseño no debe finalizar en la simulación del sistema debido a que una

simulación no deja de ser una representación matemática limitada de un modelo físico más complejo.

Desde este punto de vista, la realización tanto de prototipos de dispositivos físicos y la prueba de

procedimientos en sistemas reales es indispensable para verificar el correcto funcionamiento de los

mismos antes de su fabricación masiva e implantación en sistemas complejos como las redes eléctricas.

Por estos motivos, resultaría de bastante utilidad poder contar en el ámbito de las redes inteligentes

con un laboratorio en el que pudieran realizarse las pruebas necesarias a las distintas tecnologías que se

están desarrollando. La red de distribución a escala que se ha desarrollado en este proyecto tiene este

objetivo y para ello debe ser una representación lo más fidedigna posible a la realidad.

La red a escala consiste en realizar el diseño y construcción de una red de distribución de media tensión

propuesta por la Task Force CIGRE C06.04.02 en escala de laboratorio para lo cual se reduce tanto el

nivel de tensión como la potencia nominal asociada a cada uno de sus elementos. Realizando este

escalado de forma adecuada, la red a escala reproducirá un comportamiento desde el punto de vista

eléctrico similar a la red original. De esta forma podría probarse en el laboratorio mediante ensayos

experimentales equipos, algoritmos de control o procedimientos antes de ser probados en campo.

A partir de una red de distribución de energía eléctrica real con unos parámetros físicos determinados

que alimenta a un conjunto de cargas, se propone realizar un escalado mediante el cambio de las

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magnitudes base (tensión y potencia nominal) asociadas a dicha red. De esta forma se obtendrán

comportamientos similares en ambas redes en relación a sus respectivas bases. Si en la red original se

tiene un juego de magnitudes base (Ub0, Sb0) y en la red a escala (Ub1, Sb1), la relación entre las

magnitudes de cada una de las redes es la siguiente:

Tensiones:

(1.1)

Intensidades:

(1.2)

Potencias:

(1.3)

Impedancias:

(1.4)

donde las magnitudes Xo corresponden a la red original y las magnitudes X1 son las de la red a escala.

Tal y como se ha comentado anteriormente, la red que se ha tomado como base para realizar el

escalado es la propuesta por la CIGRE Task Force C06.04.02 Computational Tools and Techniques for

Analysis, Design and Validation of Distributed Generation Systems. Los motivos principales por los que

se ha elegido esta red de distribución son los siguientes:

Está basada en una red de distribución real de una compañía distribuidora alemana

presentando las características inherentes a las redes de distribución: radial y con ratios R/X

elevados. Esto lo hace de especial interés desde el punto de vista de la integración de generación

distribuida.

Está completamente documentada existiendo información referente a: topología, parámetros

de líneas, tipología de cargas (residenciales e industriales) y generadores [4]-[5].

Incluye algunos elementos que podrían estar presentes en las redes de distribución del futuro

como dispositivos de almacenamiento de energía y enlaces asíncronos basados en electrónica de

potencia.

La Figura 2 muestra el esquema unifilar de la red de distribución propuesta. Se trata de una red que

alimenta a una pequeña ciudad y el área rural circundante. Está compuesta por dos alimentadores

radiales en 20 kV que parten de una subestación 110/20 kV a través de transformadores de 20 MVA. Si

bien la mayor parte de la red está formada por cable subterráneo también existen tramos de línea

aérea. Se incluyen los puntos en los que se realiza un seccionamiento de la red (marcados con una T)

que pueden ser utilizados tanto para reconfiguración de la misma como para evaluar un funcionamiento

mallado.

Capítulo 1 – Introducción y objetivos 5

FIGURA 2 - ESQUEMA UNIFILAR DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN

Las cargas que se tienen en cuenta en la red de distribución son de tipo residencial (RES) o industrial

(IND) con las curvas de carga que se muestran en la Figura 3.

6 Capítulo 1 – Introducción y objetivos

(A) (B)

FIGURA 3 - CURVAS DE CARGAS CONSIDERADAS: (A) RESIDENCIAL (B) INDUSTRIAL

Adicionalmente se consideran las siguientes tecnologías de generación distribuida fotovoltaica (PV),

eólica (WT), pila de combustible (FC), cogeneración (CHPFC y CHPD) y almacenamiento en baterías

(BATT) con las curvas de carga que se muestran en la Figura 4.

FIGURA 4 - CURVAS DE GENERACIÓN DE LOS DISTINTOS GENERADORES DISTRIBUIDOS (EÓLICA, FOTOVOLTAICA Y

COGENERACIÓN) Y ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS.

Adicionalmente se ha incluido un enlace asíncrono compuesto por tres convertidores en fuente de

tensión que son capaces de regular la potencia activa y reactiva intercambiada por los alimentadores de

media tensión. En el bus de continua de dicho enlace asíncrono podría llevarse a cabo la recarga de

vehículos eléctricos (EV) de una forma concentrada.

En la actualidad esta red está en proceso de montaje en el laboratorio del Departamento de Ingeniería

Eléctrica de la Universidad de Sevilla. En la Figura 5 se puede el progreso del montaje realizado. En la

parte superior de la figura se observa la red a escala montada sobre bandejas perforadas y en la parte

Capítulo 1 – Introducción y objetivos 7

inferior los armarios que contienen los convertidores que simularán las cargas y generaciones del

sistema.

FIGURA 5 – RED A ESCALA MONTADA EN EL LABORATORIO

En la Figura 6 se observa una imagen superior de la red a escala montada en el laboratorio. En esta

imagen se pueden diferenciar claramente los elementos que simulan los cables de un tendido aéreo.

Cada línea esta simulada mediante su resistencia y su inductancia.

FIGURA 6 – VISTA SUPERIOR DE LA RED A ESCALA

Las cargas y generaciones en la red mostrada en este apartado se van a emular mediante VSCs en una

configuración multiterminal. Esta configuración consiste en que el control del bus de continua lo realiza

un convertidor superior. El resto de convertidores se conectan a este bus de continua y por lo tanto no

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tienen que controlar la tensión del bus de continua, permitiendo un funcionamiento con dos grados de

libertad. Debido a este funcionamiento, los VSCs que emulan las cargas y generaciones podrán controlar

tanto la potencia activa como reactiva.

1.4. Objetivos del proyecto fin de master

El objetivo fundamental de este Proyecto Fin de Master es realizar el diseño, simulación y control de los

convertidores electrónicos de potencia que realizarán la emulación de las cargas, generadores y

dispositivos de almacenamiento energético que se dispondrán en cada uno de los nudos de la red a

escala. Para ello se siguen una serie de pasos que se describirán a lo largo del contenido del proyecto:

Diseño y simulación del algoritmo de control. Se ha realizado un control clásico en ejes d-q que

ha sido simulado en la plataforma Matlab-Simulink.

Validación experimental del algoritmo de control mediante una plataforma de control en

tiempo real. Dicha plataforma es SpeedGoat, la cual consta de una serie de tarjetas de

entrada/salida que serán analizadas posteriormente. De forma adicional, ha sido necesario

desarrollar unas tarjetas de control adicionales para evitar algunos problemas que se han

detectado en el proceso de arranque y puesta en funcionamiento del dispositivo y que ponían

en riesgo a los convertidores utilizados.

Validación experimental del algoritmo de control mediante DSP. Una vez validado el algoritmo

de control se ha procedido a implementar dicho algoritmo en una plataforma DSP autónoma. La

principal ventaja de este paso es la enorme reducción de costes que provoca el cambio de

plataforma de control. Para ello ha sido necesario desarrollar una placa de adaptación de

señales y seguridad algo más compleja que el equipo en tiempo real mencionado anteriormente

y que será analizada posteriormente.

El diseño finalmente desarrollado será replicado para cada uno de los VSCs utilizados en la red de

distribución a escala de laboratorio.