Redes eléctricas

REDES ELÉCTRICAS

Las redes eléctricas están viviendo un cambio de paradigma con la integración masiva de sistemas de generación de origen renovable, sistemas de almacenamiento y otros convertidores electrónicos de potencia para la transmisión de energía (como los enlaces en corriente continua en media y alta tensión) y para la mejora de la calidad del suministro (como los equipos FACTS).

El grupo de investigación en Redes Eléctricas está centrado en investigar, desarrollar y transferir al tejido empresarial soluciones dentro del ámbito de las redes eléctricas modernas, donde la penetración de convertidores electrónicos es significativa.

El grupo centra su actividad principalmente en 4 líneas de investigación.

• Modelado, análisis, simulación y validación
• Control de convertidores de potencia conectados a la red
• Planificación y gestión de redes eléctricas
• Sistemas de media tensión y alta potencia

Líneas de investigación

Modelado, análisis, simulación y validación

Los modelos de las redes eléctricas clásicas, las cuales estaban dominadas por las dinámicas electromecánicas de los grandes generadores síncronos, se desarrollaban bajo la premisa de que la frecuencia y tensión del sistema era constante o casi constante. Sin embargo, debido a la penetración masiva de convertidores de potencia en las redes modernas, esta premisa deja de ser válida. Los generadores síncronos están siendo progresivamente sustituidos por convertidores que no responden de forma inherente ante perturbaciones en la red, lo que causa oscilaciones mucho mayores en la frecuencia y la tensión.

En este sentido, en el grupo de investigación desarrollamos herramientas matemáticas y modelos comportamentales de sistemas eléctricos modernos para analizar no sólo las interacciones electromecánicas, sino también las dinámicas electromagnéticas asociadas a los elementos pasivos y a las estrategias de control más rápidas de los convertidores (lazos de regulación de corriente, tensión, etc.). El objetivo es identificar el origen de las oscilaciones indeseadas y evaluar la estabilidad de estos sistemas, para posteriormente desarrollar soluciones que mejoren este comportamiento. Mediante estos modelos, también llevamos a cabo simulaciones en el dominio temporal (offline y en tiempo real) que nos sirven para evaluar el comportamiento del sistema ante diferentes condiciones.

Trabajamos con modelos o herramientas analíticas propias basadas en Matlab/Simulink® y en Python, y también con herramientas comerciales en proyectos en colaboración con la industria del sector. En concreto, contamos con dos herramientas propias para el estudio de redes eléctricas modernas. Por una parte, la herramienta CSTEP® programada en Matlab nos permite construir modelos analíticos de forma semiautomática para el análisis de la estabilidad en pequeña señal y su simulación temporal. Por otra parte, la herramienta DFPF basada en el entorno Matlab/Simulink nos permite realizar simulaciones temporales de horas e incluso días de redes eléctricas con presencia de convertidores. La ventaja es que la herramienta representa las dinámicas de la frecuencia y la tensión, lo que posibilita el desarrollo y el estudio de estrategias de control para la regulación de frecuencia y tensión.

Control de convertidores de potencia conectados a la red

En esta línea la actividad está enfocada hacia diferentes niveles de control. Por una parte, trabajamos en el desarrollo de lazos de regulación “internos” para el control de la corriente y tensión de los convertidores. Junto a estos lazos, desarrollamos también estrategias de sincronización con la red. Por otra parte, además de los clásicos controles grid-following, desarrollamos lazos de control de nivel más alto para el aporte de servicios hacia la red. Tenemos una amplia experiencia con algoritmos grid-supporting y grid-forming para dar soporte de frecuencia y tensión a la red, y trabajamos en el planteamiento de nuevas técnicas o en adaptar técnicas ya desarrolladas para mejorar la respuesta de los convertidores ante desequilibrios, faltas, la presencia de armónicos, los saltos de fase, etc. Además, desarrollamos algoritmos para el aporte de nuevas funcionalidades como el islanding o el black-start.

En general, desarrollamos nuevas propuestas, planteamos criterios de sintonía (mediante métodos clásicos o empleando algoritmos de optimización), y evaluamos el desempeño de estas estrategias ante diferentes condiciones o incertidumbres en el sistema.

Para evaluar las estrategias de control desarrolladas, contamos con una Microrred experimental con sistemas de generación fotovoltaica, sistemas de almacenamiento y fuentes programables. Además, en la actualidad estamos trabajando en el desarrollo de plataformas Power Hardware-in-the-Loop (PHIL) tanto para sistemas AC como DC.

Planificación y gestión de redes eléctricas

El propósito en esta línea de investigación es mejorar la flexibilidad en la operación de las redes eléctricas donde gran parte de la generación está físicamente distribuida. Trabajamos en desarrollar estrategias que nos permitan hacer un mejor uso de la energía generada, almacenada y consumida en una red eléctrica.

Por una parte, desarrollamos algoritmos de predicción de la generación y la demanda de energía que nos permiten tomar mejores decisiones en la operación del sistema. Por ejemplo, nos permiten decidir el nivel óptimo del estado de carga de un sistema de almacenamiento estacionario, escoger cuándo es el instante óptimo para activar ciertos activos, o determinar la configuración más adecuada de la red para optimizar los flujos de potencia en el sistema.

Por otra parte, desarrollamos algoritmos para la coordinación de activos energéticos de diferente índole, como baterías estacionarias y activos térmicos como bombas de calor o acumuladores térmicos. En este sentido, el grupo tiene un amplio conocimiento sobre los mecanismos de regulación de los mercados eléctricos, lo que le ha permitido trabajar en numerosos proyectos de transferencia para la integración de dispositivos en la red cumpliendo con la normativa local del país.

Sistemas de media tensión y alta potencia

En esta línea, nos centramos en el desarrollo de elementos de infraestructura y equipos conectados a las redes eléctricas. Las actividades se centran en el desarrollo y la experimentación de elementos de interconexión en las redes (principalmente transformadores), equipos de conversión y generación de energía, dispositivos de protección, etc.

En particular, tenemos una amplia experiencia sobre transformadores de distribución. Además de modelar estos dispositivos con diferentes niveles de fidelidad para evaluar aspectos como las corrientes de conexión (inrush) o las interacciones con los controles de equipos de generación, contamos con un gran conocimiento en el desarrollo de transformadores con rápidos cambiadores de tomas, que sirven para modificar los niveles de tensión de forma dinámica y en carga. Durante los últimos años también hemos adquirido conocimiento sobre el desarrollo y el control de convertidores de media tensión y alta potencia, basados en topologías modulares como puentes en H en cascada (cascaded H-bridge) o MMCs (modular multilevel converters).

Para llevar a cabo pruebas experimentales en entornos cercanos a la realidad, contamos con un singular Laboratorio de Media Tensión. Este laboratorio cuenta con dos zonas de ensayo independientes que pueden ser arrendadas para realizar ensayos de media tensión y alta potencia. Como ejemplo reciente, la empresa Siemens-Gamesa Renewable Energy ha utilizado el laboratorio para ensayar sus generadores eólicos ante huecos de tensión, con el propósito de mejorar su comportamiento antes de certificar el equipamiento para su venta e instalación.

Aplicaciones

Las aplicaciones de interés para el grupo de investigación son el Transporte y la Distribución de Energía, los sistemas de distribución internos y la infraestructura de carga y conexión de Sistemas de Tracción Eléctrica, los Sistemas de Almacenamiento Estacionarios y los Sistemas de Generación de Origen Renovable como parques eólicos o fotovoltaicos.

Además de trabajar con diferentes empresas del entorno y de otros países, el grupo de investigación también participa en distintos proyectos de investigación colaborativos a nivel de la CAPV, España y Europa.

 

 

 

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