Investigación experimental del control jerárquico en microrredes de corriente continua utilizando un simulador en tiempo real

Resumen

En este artículo se presenta una microrred de corriente continua con control jerárquico implementada en un simulador, OPAL RT-Lab. En él se detalla el modelado de circuitos, las estrategias de control primario y secundario y la validación experimental. Los resultados demuestran un rendimiento de control efectivo, lo que destaca la importancia de una plataforma experimental robusta para la investigación y el desarrollo de microrredes.

Resumen

El aumento de las fuentes de energía renovables ha subrayado la importancia de las microrredes, en particular las variantes de CC, que son muy adecuadas para integrar paneles fotovoltaicos, sistemas de almacenamiento de baterías y otras soluciones de carga de CC. En este trabajo se presenta el desarrollo y experimentación de una microrred de corriente continua con control jerárquico implementada en el simulador OPAL RT-Lab. La microrred incluye recursos de energía distribuida (DER) interconectados a través de convertidores de potencia, un bus de CC y cargas de CC. El control primario emplea un mecanismo de control de caída y un control proporcional-integral (PI) de doble bucle para regular el voltaje y la corriente, lo que garantiza un funcionamiento estable y un intercambio de energía proporcional. El control secundario utiliza una estrategia basada en el consenso para coordinar los DER para restaurar el voltaje del bus y garantizar un uso compartido de energía preciso, mejorando la confiabilidad y la eficiencia del sistema. La configuración experimental detallada en este documento incluye el modelado de circuitos, la implementación de hardware y las estrategias de control. Se especifican los circuitos de la plataforma de hardware y los parámetros del controlador, y los resultados se pueden observar a través de mediciones de osciloscopio. Se llevan a cabo dos conjuntos de experimentos que demuestran la respuesta de control secundario con y sin demora para validar la eficacia de la estrategia de control. Los resultados confirman la implementación exitosa del control jerárquico en la microrred. Este estudio subraya la importancia de una plataforma experimental integral para el avance de la tecnología de microrredes, proporcionando información valiosa para futuras investigaciones y desarrollos.

Introducción

Con el rápido desarrollo de las fuentes de energía renovables, las microrredes han ganado una atención significativa a nivel mundial¹. Permiten la integración de recursos energéticos distribuidos (DER), como la energía solar fotovoltaica (PV), junto con los sistemas de almacenamiento de energía (ESS), en la red, apoyando así la transición hacia la energía sostenible y renovable. Como componente crítico en la integración de las energías renovables, las microrredes de CC han atraído una atención considerable debido a su compatibilidad con la naturaleza inherente de CC de los sistemas fotovoltaicos, las baterías y otros DER. La operación de CC reduce la necesidad de múltiples conversiones de energía, lo que puede mejorar la eficiencia y confiabilidad general del sistema. En consecuencia, las microrredes de CC presentan una vía prometedora para optimizar la integración de las energías renovables².

Es ampliamente reconocido que la simulación y los estudios experimentales son cruciales para el avance de la tecnología de microrredes. Las simulaciones permiten a los investigadores o ingenieros modelar y analizar diversos escenarios y estrategias de control en un entorno virtual, lo que resulta rentable y sin riesgos. Sin embargo, la experimentación en el mundo real es igualmente importante, ya que valida estos modelos y teorías, revelando desafíos prácticos y comportamientos dinámicos que las simulaciones podrían^{no capturar por} completo. A pesar de los conocimientos obtenidos de las simulaciones, los experimentos prácticos sobre microrredes son necesarios para abordar los problemas que surgen de las implementaciones físicas. Estos experimentos ayudan a comprender las características operativas, la dinámica de control y las interacciones entre los diferentes componentes en un entorno del mundo real⁴. Dada su menor escala y su naturaleza modular, las microrredes ofrecen una solución más manejable y escalable para realizar estos estudios experimentales vitales en comparación con las redes eléctricas tradicionales a gran escala, que son demasiado extensas y complejas para la experimentación práctica. Por lo tanto, la realización de experimentos físicos en microrredes es esencial para avanzar en nuestra comprensión y capacidades en este campo.

En una microrred de CC típica, varios DER están conectados a un bus de CC a través de convertidores de potencia. Esta configuración facilita el intercambio directo de energía sin la necesidad de múltiples conversiones CC-CC o CA-CC⁵. Estos convertidores de potencia regulan el voltaje y la corriente, lo que garantiza una transferencia de potencia eficiente y estabilidad. El bus de CC sirve como nodo central, distribuyendo la energía a varias cargas conectadas al sistema. Las líneas de transmisión proporcionan las vías necesarias para el flujo de energía entre los DER, los convertidores y las cargas, manteniendo un suministro de energía estable y confiable dentro de la microrred. Para gestionar eficazmente el funcionamiento de una microrred de CC, a menudo se emplea una estructura de control jerárquica⁶. Esta estructura generalmente se divide en tres niveles: control primario, secundario y terciario, cada uno con funciones y responsabilidades distintas.

El control primario se centra en la regulación inmediata de la tensión y la corriente dentro de la microrred de CC, lo que garantiza la estabilidad y el adecuado reparto de corriente/potencia entre los DER. El control primario más común es el control de caída. En comparación con otros controles primarios, no se comunica y tiene una respuesta rápida. Sin embargo, debido a su característica de caída, el control de caída puede causar una desviación de voltaje y no puede mantener el voltaje en el valor nominal. Al mismo tiempo, a medida que aumenta la carga y el número de DER, disminuye la precisión del uso compartido de corriente. Por lo tanto, se necesita un control secundario adicional para el restablecimiento del voltaje y la regulación de la corriente. El control secundario restaura los puntos de funcionamiento del sistema después de las perturbaciones y coordina los controladores primarios para la regulación de voltaje y corriente. El control terciario optimiza la operación económica y estratégica de la microrred, gestionando la programación de la energía y las interacciones con la red eléctrica principal⁷.

La literatura reciente destaca avances significativos en la aplicación del control jerárquico para microrredes de CC, progresando desde estudios de simulación hasta configuraciones de hardware-in-the-loop (HIL) y, en última instancia, a experimentos físicos del mundo real. Los estudios de investigación iniciales a menudo emplearon herramientas de simulación para desarrollar y probar algoritmos de control jerárquico para microrredes de CC. Estos estudios se centran en modelar el comportamiento dinámico de las microrredes, optimizar las estrategias de control y evaluar el rendimiento del sistema en diversas condiciones. Los entornos de simulación, como MATLAB/Simulink y PSCAD, se utilizan habitualmente debido a su flexibilidad y a sus completos conjuntos de herramientas para el análisis de sistemas de potencia⁸. Más allá de las simulaciones puras, los experimentos HIL proporcionan un entorno de prueba más realista mediante la integración de hardware de control en tiempo real con modelos de microrredes simulados. Este enfoque permite a los investigadores validar algoritmos de control y evaluar su rendimiento en condiciones casi reales. Las configuraciones HIL cierran la brecha entre los estudios teóricos y las implementaciones prácticas, ofreciendo información valiosa sobre la interacción entre los sistemas de control y los componentes de la microrred⁹. La validación final de las estrategias de control jerárquico se logra a través de experimentos físicos en configuraciones reales de microrredes. Estos experimentos implican la implementación de algoritmos de control en hardware de microrredes reales, incluidos DER, convertidores electrónicos de potencia y unidades de control. Los experimentos físicos proporcionan la evaluación más precisa del rendimiento del sistema, revelando desafíos prácticos y problemas operativos que pueden no ser evidentes en las simulaciones o configuraciones HIL.

Para resumir la progresión de la investigación de control jerárquico en microrredes de CC, la Tabla 1 presenta una visión general de los estudios clave categorizados por su enfoque experimental. A partir de la literatura antes mencionada, es evidente que, si bien algunos estudios han utilizado con éxito plataformas físicas de microrredes para la experimentación, existe una notable falta de documentación sistemática y descripciones exhaustivas de estas plataformas experimentales y su uso, particularmente en el contexto del control jerárquico. Esta brecha es significativa porque la información detallada sobre las configuraciones, metodologías y resultados experimentales es crucial para replicar estudios, avanzar en la investigación y facilitar la implementación práctica de estrategias de control jerárquico en tecnologías de microrredes. A la luz de esta necesidad, este artículo tiene como objetivo proporcionar una introducción detallada y sistemática al desarrollo y la utilización de una plataforma experimental física para microrredes de CC, centrándose en el control jerárquico, para aportar valiosos conocimientos y pautas prácticas a la investigación en curso en este campo.

En resumen, las principales aportaciones de este trabajo son las siguientes. En primer lugar, bajo el marco de la estrategia de control jerárquico, el artículo elabora en detalle los algoritmos de control necesarios y las implementaciones para el control de microrredes, mientras que los trabajos anteriores han tratado principalmente los experimentos como validación sin mayor elaboración. En segundo lugar, en línea con el despliegue de algoritmos de control, este documento también proporciona la configuración de hardware y la topología de los componentes de la microrred, mejorando la reproducibilidad de los experimentos de control de microrredes. En tercer lugar, mediante la construcción de una plataforma experimental escalable, este documento sienta las bases para futuras investigaciones sobre microrredes, lo que permite una mayor exploración del rendimiento del control en condiciones del mundo real, como retrasos en la comunicación y variaciones de carga, apoyando así el desarrollo de estrategias de control más robustas y eficientes.

Protocolo

En esta sección, describimos los métodos utilizados para desarrollar y experimentar con una microrred de CC que incorpora el control jerárquico que se muestra en la Figura 1, implementado en OPAL RT-Lab (en lo sucesivo, "simulador"). El protocolo se divide en tres secciones principales: Configuración física y modelado de circuitos, Implementación de la estrategia de control y Configuración experimental del simulador. Cabe señalar que este protocolo no cubre la estrategia de control terciario, que implica una optimización de alto nivel y la interacción con la red eléctrica principal, está más allá del alcance de nuestra configuración experimental actual y se deja para trabajos futuros.

1. Configuración física y modelado de circuitos

1. Topología eléctrica del sistema
   NOTA: Teniendo en cuenta la arquitectura del circuito del sistema de microrred de CC, procedemos con la construcción de la plataforma experimental de hardware a través de los siguientes pasos.
   1. Construcción de un DER individual
      1. Conecte el polo positivo de la corriente continua a través de un cable al polo positivo de entrada del circuito reductor, mientras conecta simultáneamente los polos negativos correspondientes; el convertidor específico se muestra en la Figura 2A. Construir un modelo matemático para el convertidor reductor para facilitar el diseño de parámetros de control para simulaciones posteriores y configuraciones experimentales. Para un convertidor reductor típico como se muestra en la Figura 3, construya sus ecuaciones de espacio de estados utilizando el método de promedio de espacio de estados de la siguiente manera⁵:
              (1)
         Donde I^L, V^C son la corriente del inductor y el voltaje de salida, respectivamente; R, L, C son los parámetros de los componentes en el circuito convertidor; Vⁱⁿ representa el voltaje de CC de entrada; y d representa el ciclo de trabajo del convertidor CC-CC. Transforme la ecuación ( 1) en la siguiente forma de función de transferencia, que es más conveniente para el diseño de un controlador PI.
         
              (2)
         Donde s representa el operador de Laplace; G_Id(s) es la función de transferencia de la relación de trabajo a la corriente; y G_VI(s) es la función de transferencia de corriente a voltaje.
      2. Construcción de microrredes mediante múltiples DER
         1. Repita el proceso de construcción de DER individuales como se describió anteriormente. Con múltiples DER en su lugar, conecte los terminales de salida positivo y negativo correspondientes de cada circuito reductor.
         2. Para simular la impedancia de línea, inserte pequeñas resistencias en serie entre los polos positivos de cada DER.
      3. Integración de carga
         1. Utilice resistencias para simular cargas comunes en microrredes de CC. Para cargas globales, conecte directamente los terminales de la resistencia a los puntos de confluencia de los polos positivo y negativo de todos los DER. Cuando la impedancia de línea está presente, conecte las resistencias en la salida de cada circuito reductor para simular las cargas locales, como se muestra en la Figura 2D.
            NOTA: En este experimento, las conexiones de circuitos se implementan mediante conectores enchufables como se ilustra en la Figura 2C.
2. Diseño y configuración de circuitos de hardware
   NOTA: La configuración de hardware de la plataforma experimental de microrredes de CC, correspondiente a la topología de la Figura 1, consta principalmente de los siguientes pasos:
   1. Configuración de la fuente de alimentación de CC
      1. Active la fuente de alimentación pulsando el botón de encendido.
      2. Ajuste el voltaje al valor especificado con la perilla. Esta fuente de alimentación es una fuente de CC de voltaje constante con un rango de salida de [0 - 300 V] y una potencia máxima de 600 W. Inicie la fuente de alimentación al comienzo del experimento presionando el interruptor. La fuente de alimentación utilizada en este experimento se muestra en la Figura 2B.
   2. Configuración del convertidor reductor CC-CC
      1. Dirija las señales de entrada y salida del convertidor a una placa de conversión de señal y conéctelas al controlador de hardware del simulador a través de cables de señal.
         NOTA: Esta configuración permite la salida de señales de corriente y voltaje en forma analógica y la transmisión de señales PWM desde el controlador para impulsar el convertidor a nivel de circuito.
   3. Verificación de conexiones de bus y carga
      1. Asegúrese de que este paso se alinee con el paso 1.1.3. Inspeccione todas las conexiones para verificar su precisión y seguridad.

2. Implementación de la estrategia de control

1. 2.1.Configuración del control de caída
   1. Construya el módulo de control de caída en el módulo de control dentro del simulador arrastrando y soltando componentes como bloques de ganancias y diferencias, como se muestra en la Figura 4.
   2. Haga doble clic en el módulo 'ganancia' y ajuste el coeficiente de caída según sea necesario.
2. Configuración de control PI de doble bucle
   1. Construya el diagrama de bloques de control arrastrando y soltando componentes en el simulador (consulte la figura 5).
   2. Al seleccionar las ganancias de control PI, utilice el modelo de función de transferencia del convertidor reductor en la ecuación ( 2), siguiendo la secuencia de diseño del bucle interno (bucle de corriente) primero y luego el bucle exterior (bucle de voltaje).
      NOTA: Existe una compensación entre la respuesta dinámica rápida y la precisión de compartir energía en el esquema de control de doble bucle, ya que los ajustes rápidos de voltaje pueden comprometer la precisión de la distribución de energía entre los DER.
3. Construcción de topología de comunicación distribuida
   1. Proporcione diferentes señales de entrada a los controladores de cada DER para implementar el control distribuido dentro del controlador del simulador centralizado. Por ejemplo, para DER 1, arrastre las señales de DER 2 y DER 4 a su módulo de control para habilitar la comunicación distribuida, como se muestra en la parte izquierda de la Figura 6 y en la Figura 7C.
4. Implementación de la estrategia de control secundario distribuido
   1. Construya el diagrama de bloques de control secundario en el simulador basado en el control secundario basado en consenso, como se muestra en la figura 6. Ajuste la respuesta de control secundario modificando las ganancias de control.

3. Configuración experimental del simulador en tiempo real

NOTA: La configuración específica del experimento del simulador consta de cuatro pasos, como se ilustra en la Figura 8.

1. Inicialización del modelo
   1. Haga clic en el botón Editar para modificar el programa que se ejecuta en el simulador. A continuación, active el botón SET para completar la configuración de las propiedades de desarrollo.
2. Compilación de modelos
   1. Después de completar la edición del modelo, haga clic en el botón Compilar para compilar el modelo en código ejecutable.
   2. Supervise la ventana de compilación de software hasta que aparezca el mensaje 'Compilación exitosa'. Si se produce un error, localícelo en función de la solicitud y realice las correcciones necesarias
3. Configuración de control en tiempo real del simulador
   1. Una vez finalizado el proceso de compilación, configure los ajustes del código del programa, como el modo de simulación, el tipo de enlace de comunicación en tiempo real y otros parámetros relevantes.
4. Descarga y ejecución de programas
   1. Descargue el programa ejecutable compilado en el hardware del controlador e inicie el experimento.
   2. Conecte las sondas de voltaje del osciloscopio a los terminales positivo y negativo de cada salida DER y sujete las sondas de corriente en los puertos de salida. Utilice la ventana del osciloscopio para observar la salida de cada DER en la microrred.

Resultados

La Figura 4 muestra el módulo de control de caída en el módulo de control construido dentro del simulador. El diseño detallado se basa en el siguiente mecanismo de caída:

El mecanismo de control de caída es una estrategia fundamental para el control primario descentralizado en microrredes de CC. Emula el comportamiento de los generadores síncronos en sistemas...

Discusión

La Figura 10 muestra las respuestas de corriente y voltaje del sistema de microrred bajo control secundario sin retrasos en la comunicación. Antes del tiempo t₁, el sistema está regulado únicamente por un control primario basado en caída, donde es evidente que el voltaje no puede estabilizarse en el valor nominal de 48 V y la distribución de corriente es relativamente imprecisa. Al activar el control secundario en el tiempo t

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Programmable DC  power supply	ITECH	IT-M7700	DC Power Supply
Real-time simulator	OPAL RT-Lab	OP5707XG-16	Real-time controller
Oscilloscope	Tektronix	MSO58 5-BW-500	Oscilloscope
			Electrical components such as cables and resistors