MICRO REDES ELÉCTRICAS: ELECTRICIDAD EN UN AMBIENTE INTELIGENTE

Micro Redes Eléctricas:
Electricidad en un Ambiente Inteligente


Ricardo David Medina

"Resumen "
"El consumo energético de un país puede emplearse como un indicador de su grado de "
"desarrollo, por ello desde mediados de la década de los 70s y a raíz de la crisis "
"del petróleo se ha buscado diversificar las fuentes energéticas y desvincular la "
"economía mundial del uso de combustibles fósiles. En la actualidad, el desarrollo "
"de tecnologías para aprovechar fuentes energéticas alternativas, el aumento en la "
"capacidad de almacenamiento a pequeña escala y la facilidad para comunicar estos "
"equipos con la red han iniciado una transformación de la red eléctrica, llevándola"
"al concepto de red inteligente (Smart Grid). El paso intermedio en esta transición"
"es la creación áreas de la red que cuenten con la "inteligencia" para vincular a "
"la red generación y almacenamiento distribuidos que a su vez mantenga el "
"suministro con altos estándares de calidad y confiabilidad a precios "
"razonablemente bajos; estas secciones de la red son denominadas micro-redes. El "
"presente trabajo es una breve introducción y brinda una visión general del "
"concepto de redes inteligentes. "
" "
"Palabras Clave: almacenamiento distribuido, agente de micro-red, electrónica de "
"potencia, generación distribuida, micro-red, operación de micro-redes, redes "
"inteligentes. "
" "
"Abstract "
"Energy consumption can be used as development index of a country, according that "
"since the mid-70s and following the oil crisis, much research has been developed "
"in order to diversify energy sources and decoupling the world economy from fossil "
"fuels. At present, the development of "
"technologies to harness alternative energies increased of small-scale storage "
"systems and communication "
"technologies to link and command these elements have begun a transformation of the"
"electricity grid, "
"introducing the concept of intelligent grid (Smart Grid). The intermediate step in"
"this transition is to "
"create areas of the grid that have the "intelligence" to link storage and "
"distributed generation to the grid, "
"keeping high standards of quality and reliability at reasonably low prices; these "
"sections of the grid are "
"called micro-grids. This paper presents a brief introduction and of micro-networks"
"concept. "
" "
"Keywords: distributed generation, distributed storage, micro-grid, micro-grid "
"operation, micro-grid agent, power electronic, smart-grids. "
" "






1. Introducción


El advenimiento de la era eléctrica a inicios del siglo anterior sentó las
bases para la moderna era digital; el cambio social y cultural que vivimos
no sería posible sin el impulso dado por la electricidad debido a la
introducción progresiva de equipos eléctricos y electrónicos que se han
incorporado a nuestro estilo de vida, a tal grado que es impensable
abandonar las comodidades que nos brindan estos utilitarios. De la misma
manera, la industria ve en la electricidad su fuente energética predilecta
debido a sus múltiples ventajas entre las que se puede mencionar: su fácil
control, instantánea disponibilidad, distribución relativamente simple,
limpieza ya que no deja ningún residuo al ser consumida y la facilidad de
obtenerla de diversas fuentes; se considera que la electricidad es una
energía "intermedia", es decir, que para su utilización puede ser
transformada en calor, movimiento etc.
Históricamente la producción de electricidad se ha basado en la generación
a gran escala ubicada cerca de las fuentes primarias de energía; por
ejemplo donde los accidentes geográficos producen saltos de agua o en las
regiones donde se encuentran yacimientos de gas o carbón; este modelo
presenta beneficios basados en la economía de escalas. La aparición de un
mercado eléctrico como el propuesto por (HUNT, 2002) presenta nuevos
cuestionamientos sobre la necesidad de introducir cambios en el sector
eléctrico, entre estas variaciones se considera la instalación de pequeñas
centrales cercanas a los clientes, esto debido a que las "grandes
centrales" están alejadas de los centros de consumo y el transporte de esos
volúmenes de energía implica una gran infraestructura y las pérdidas son
proporcionales a la distancia entre la generación y el consumo.
Los sistemas eléctricos de potencia (SEP) modernos se caracterizan por su
alta complejidad[1] y expansión constante tanto geográficamente como en la
cantidad de energía suministrada, paralelamente al aumento de la potencia
servida por los SEP los consumidores han aumentado sus requerimientos en
cuanto a la calidad del servicio (EGUÍLUZ, 2006) con lo cual las
regulaciones son más exigentes requiriendo que los administradores de los
sistemas busquen nuevas tecnologías que permitan mantener el suministro en
estándares óptimos.
Décadas atrás, los SEP se sobre dimensionaban ampliamente, lo cual
permitía mantener holgadamente los criterios de seguridad y calidad, en la
actualidad se realizan diseños más cercanos a los puntos de trabajo real
por lo tanto los SEP se ven sometidos continuamente a estrés y operan cada
vez más cerca de sus límites de físicos. Considerando lo anterior se han
buscado opciones para evitar la congestión de las redes, una alternativa
propuesta es colocar generación cerca del consumo y de esta manera reducir
el flujo de potencia entre regiones al mínimo necesario.
Las redes inteligentes o Smart Grids, son un concepto que se ha venido
gestando de forma progresiva, consisten básicamente dotar a los equipos de
la red eléctrica de inteligencia mediante el uso de tecnologías
informáticas con el fin de optimizar la producción y distribución de la
energía. Este proceso es irreversible pero tomará un tiempo hasta ser
implementado totalmente.
Las micro-redes (MR), son uno de los primeros pasos que lleva las redes
tradicionales al concepto de redes inteligentes (Driesen & Katiraei, 2008);
el presente documento se introduce a las micro-redes eléctricas.

2. Micro-redes

Una micro-red (MR) comprende una porción de la red de distribución
(generalmente en baja tensión), ubicada a continuación de una subestación
alimentadora. La MR contiene: 1) clientes que requieren energía eléctrica
y/o calor, 2) generadores eléctricos de distintos tipos (solares
fotovoltaicos, eólicos de pequeña capacidad, generadores diésel, etc.) y 3)
sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías (Katiraei,
Iravani, Hatziargyriou, & Dimeas, 2008) .


Figura 1: Estructura básica de una micro-red. (Katiraei et al., 2008)

El punto de conexión a la red de distribución se denomina punto de
acoplamiento común (PAC) (Kroposki et al., 2008), este elemento permite una
conexión y desconexión suave con el sistema eléctrico. La micro-red puede
también trabajar de manera aislada de la red, por ejemplo en archipiélagos
o zonas boscosas donde las redes de transmisión no pueden llegar; este modo
de operación es denominado "aislado de la red" (Katiraei et al., 2008) en
estos casos la MR permite un suministro de electricidad usando los recursos
energéticos locales.
Muchos tipos de generadores producen calor como residuo, este "desperdicio"
puede ser aprovechado creando un circuito de calor, lo cual mejora la
eficiencia del sistema, en la Figura 2 se aprecia como el circuito de calor
se incorpora a la micro-red.

Figura 2: Esquema general de una micro-red.(Katiraei et al., 2008)

El desarrollo de la electrónica de potencia, la mejora de la confiabilidad
de las comunicaciones y el incremento de la capacidad de los medios de
almacenamiento han llevado a considerar la micro-redes como el paso previo
a los sistemas inteligentes (De Brabandere, Vanthournout, Driesen,
Deconinck, & Belmans, 2007; Driesen & Katiraei, 2008), la Figura 3 muestra
de modo esquemático la participación de varias tecnologías de generación y
almacenamiento en una MR.

Figura 3: Elementos de una micro-red. (Hatziargyriou, Asano, Iravani, &
Marnay, 2007)

La implementación de una micro-red presenta varias ventajas como: mejorar
la calidad de la energía suministrada, mejorar la autonomía de los clientes
servidos ya que estos pueden generar una parte de la energía que consumen y
vincular generación distribuida permitiendo la introducción de generación
alternativa. Entre las desventajas se puede contar: el alto costo de su
implementación; la necesidad de una red de comunicaciones robusta; la
variabilidad de las fuentes renovables (solar o eólica) que afectan la
continuidad de la generación lo que demanda un mayor esfuerzo para mantener
el suministro de forma estable.






3. Arquitectura de la micro-red

Una micro-red consta básicamente de generación distribuida, almacenamiento
distribuido y consumo. Todos estos elementos conectados tanto a circuitos
de eléctricos, calor y de comunicación; cada uno de estos elementos de la
red es denominado "agente de la micro-red". Estos agentes están dotados de
un grado de inteligencia que les permite interactuar entre sí. La
inteligencia está provista por un microprocesador, este "cerebro" permite a
los agentes comunicarse con los demás y tomar decisiones. A continuación se
describirá cada agente y sus características
3.1 Agente de Generación distribuida
Las redes eléctricas modernas se enfocan en instalar en toda la red un gran
número de fuentes de generación distribuida (GD) de pequeña capacidad, de
manera que se pueda suministrar energía a los clientes locales con la
propia generación embebida en la red (N. Hatziargyriou), esta configuración
permite reducir el estrés sobre el sistema de transmisión, alargando la
vida útil de la red y mejorando la continuidad de servició en caso de una
falla, ya que si se produce un "apagón" en el sistema, los clientes
servidos por la micro-red tendrán la posibilidad de continuar con
suministro hasta que el resto del sistema se reestablezca.
La generación distribuida consiste en diversos tipos de equipos de pequeña
capacidad, generalmente menores a 10 MW (Katiraei et al., 2008), no se debe
confundir la generación distribuida con generación con fuentes renovables;
la generación distribuida puede contener tanto generación con fuentes
renovables (micro turbinas hidráulicas, paneles solares, generadores
eólicos, etc.) y fuentes no renovables (combustibles fósiles, madera,
etc.).
3.2 Almacenamiento distribuido.
El almacenamiento distribuido (AD) consiste en elementos que permiten
almacenar energía en diversas formas (química, magnética, cinética, etc.)
para luego utilizarla en los momentos que se requieran. Es de notar que el
almacenamiento de electricidad de forma directa se puede hacer mediante
baterías, súper capacitores y almacenadores magnéticos, lamentablemente
estas alternativas son costosas y tienen una baja densidad energética lo
cual impide que se almacene grandes volúmenes de energía, alternativamente
es posible es transformar la electricidad en otras formas de energía que
son más fáciles de almacenar tales como: volantes de inercia, almacenadores
de hidrógeno, almacenamiento de aire comprimido, etc.
3.3 Cargas de la micro-red.
Se denomina carga a todo consumo de energía, la micro-red puede servir
cargas eléctricas y térmicas, tanto industriales, comerciales o
residenciales la meta de la micro-red es que estas cargas puedan ser
servidas con la mayor calidad y a los menores costos (Driesen & Katiraei,
2008; Hatziargyriou et al., 2007).


4. Coordinación de agentes.

Los agentes de generación, almacenamiento y cargas operan con inteligencia
usando algoritmos de que buscan mantener los parámetros eléctricos dentro
los valores esperados, compensando de forma instantánea cualquier
desviación de los valores de tensión o frecuencia. Estas acciones pueden
desarrollarse de manera coordinada o autónoma.
Se considera actúan de forma autónoma cuando cada agente toma decisiones de
forma independiente sin comunicarse con el resto de equipos empleando
únicamente la información que dispone localmente[2]. Los agentes coordinan
cuando deciden conjuntamente las sus acciones, es de notar que el sistema
coordinado requiere un poder computacional sensiblemente mayor al modelo
autónomo ya que la coordinación requiere establecer comunicaciones,
intercambiar información y tomar de decisiones de forma conjunta a la
generación tradicional.
Los agentes que coordinan pueden configurarse en modo cooperativo o
competitivo (H. Kim, 2010), en modo cooperativo los agentes trabajan para
decidir los parámetros de operación conjunta, buscando maximizar los
beneficios globales, incluso cuando uno de los agentes deba operar de forma
económicamente no beneficiosa para sí mismo; en el modo competitivo los
agentes buscan su propio beneficio económico (De Brabandere et al., 2007)
sin considerar si su comportamiento pueda causar mayores costos al resto de
agentes de la MR, por ejemplo si el agente es un almacenador su meta será
cargarse en periodos de bajo costo de energía para descargarse en los
periodos de mayor precio de energía; en el caso de ser un generador
procurará vender su energía en la hora de mayor precio por kW/h.

5. Conclusiones.
Las micro-redes son el siguiente paso en la evolución de los sistemas
eléctricos de potencia, tanto por sus características de eficiencia como
por la capacidad de vincular la generación distribuida.
La generación renovable es una de las soluciones frente a los problemas
ambientales, su gran inconveniente radica en su variabilidad y altos
costos, por ello las MR son un modelo importante ya que permiten controlar
y vincular distintos tipos de generadores explotándolos de manera conjunta.

En la perspectiva del cliente el desarrollo de MR permitirá un aumento en
la calidad y confiabilidad del servicio eléctrico, conjuntamente con una
mayor conciencia sobre el uso eficiente de la energía.
En el aspecto económico las micro-redes requieren un gran incentivo por
parte de los operadores y autoridades, en experiencias como en Japón y
Europa se ha verificado la viabilidad del uso de MR para abastecer zonas de
la red, en Canadá se emplean las MR para mejorar la continuidad del
servicio en regiones con propensión a asilarse de la red y consecuentemente
a quedarse sin servicio.
6. Bibliografía

De Brabandere, K., Vanthournout, K., Driesen, J., Deconinck, G., & Belmans,
R. (2007, 24-28 June 2007). Control of Microgrids. Paper presented at
the Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE.
Driesen, J., & Katiraei, F. (2008). Design for distributed energy
resources. Power and Energy Magazine, IEEE, 6(3), 30-40.
EGUÍLUZ, L. I. L., J.C.; MAÑANA, M.; SÁNCHEZ, P. (2006). Eficiencia
Energética Y Calidad de Suministro Eléctrico, . Universidad de
Cantabria, Santander.
H. Kim, T. K. (2010). A Multiagent System for Microgrid Operation in the
Grid-interconnected Mode. Sensors Magazine.
Hatziargyriou, N., Asano, H., Iravani, R., & Marnay, C. (2007). Microgrids.
Power and Energy Magazine, IEEE, 5(4), 78-94.
HUNT, S. (2002). Making Competition work in Electricity. New York: Wiley &
Sons.
Katiraei, F., Iravani, R., Hatziargyriou, N., & Dimeas, A. (2008).
Microgrids management. Power and Energy Magazine, IEEE, 6(3), 54-65.
Kroposki, B., Lasseter, R., Ise, T., Morozumi, S., Papatlianassiou, S., &
Hatziargyriou, N. (2008). Making microgrids work. Power and Energy
Magazine, IEEE, 6(3), 40-53.
N. Hatziargyriou. Microgrids, the key to unlock distributed energy
resources. [Editorial]. IEEE power & energy magazine. doi:
10.1109/MPE.2008.918703

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[1] En el ámbito ingenieril se considera que los SEPs son los sistemas más
complejos creados por el hombre ya que requiere coordinar muchas variables
con gran volatilidad futura como la demanda o el clima. La planificación
de la producción energética debe realizarse hora a hora lo que implica un
control exhaustivo.


[2] Este modo de operación es el empleado actualmente, cada generador
eléctrico funciona acorde a sus parámetros y configuración, los cambios en
su generación se realiza mediante una negociación "off-line" es decir
acordada con anticipación de forma que la unidad se convierte en un
actuador "sin inteligencia".