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MICRO-GRID DE VOLTAJE
CONTINUO/ALTERNO ALIMENTADO CON FUENTE
SOLAR, EÓLICA, BATERÍAS Y CONVENCIONAL
Jorge Luis Mírez Tarrillo
Facultad de Ciencias - Universidad Nacional de Ingeniería, Lima – Perú.
Autor para correspondencia: jorgemirez2002@gmail.com, jmirez@uni.edu.pe
Fecha recepción: 18 de julio de 2013 - Fecha aceptación: 4 de octubre de 2013
El crecimiento en el consumo de energía a nivel mundial y el agotamiento a futuro de combustibles fósiles, ha sido el sus-
tento para el incremento en el uso de las energías renovables. La tendencia actual es contar con pequeños sistemas eléctricos
llamados “Microgrid”. Se describe un nuevo diseño de una Microgrid (MG) con una red eléctrica de distribución en DC
alimentado por energías renovables (solar, eólica, baterías) más una fuente convencional (red eléctrica AC) acoplada a la red
eléctrica DC de la microgrid mediante un recticador. El sistema tiene como nalidad el usar las redes eléctricas existentes,
también el de incrementar la capacidad de conducción y el fácil acoplamiento entre diferentes MG. Un sistema de mando y
control de la MG permite evaluar voltajes y corrientes en cada parte de la MG y realizar operaciones de mando, recolección
de datos y gestión de energía; sin embargo, la nalidad es determinar una forma de autofuncionamiento en trabajo normal sin
averías. Para lo cual se han realizado modelos físicos, modelamiento y simulación en Matlab/Simulink sobre generación eólica
y solar fotovoltaica, almacenamiento de energía en baterías, transformadores, recticadores, inversores, cargas eléctricas del
tipo domiciliario y el sistema de control y potencia de la MG.
Palabras clave: Matlab/Simulink, Simulación, Energías renovables.
Keywords: Matlab/Simulink, Simulation, Renewable energy
Growth in energy consumption worldwide and future depletion of fossil fuels has been the support for increased use of re-
newable energy. The current trend is to have electrical pe-utes called “microgrid”. We describe a new design of a microgrid
(MG) with an electricity distribution network in DC-powered renewable energy (solar, wind, batteries) over a conventional
source (AC power) coupled to the DC power supply by the microgrid rectier. The system is aimed at using existing power
grids, also increase the carrying capacity and ease of coupling between different MG. A command and control of the MG
allows evaluating voltages and currents in each part of the MG and control operations, data collection and management of
energy, but the purpose is to determine a form of eigenfunctions in normal work without breakdowns. For which physical
models, modeling and simulation Matlab/Simulink on wind generation and solar photovoltaic energy storage batteries, trans-
formers, rectiers, inverters, electrical charges and house type and control system MG power were made.
Imagen ilustrativa: Solar and Wind. Fuente: .http://www.eco.on.ca
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1. OBJETIVOS
• Describir lo que es generación distribuida y microgrids.
• Mostrar diseño y resultados de simulaciones de microredes desarrolla-
dos en software Matlab/Simulink.
2. INTRODUCCIÓN
Hay un incremento en el consumo de electricidad, así mismo la de-
pleción (disminución) de la disponibilidad de combustibles fósiles ha
llevado consigo al progresivo desarrollo de tecnologías alternativas de
generación y almacenamiento de energía. Más también se está dando un
cambio en la forma como se transporta la electricidad desde las fuen-
tes de generación hasta los usuarios y de los servicios que brindan las
empresas, es un cambio de topología de las redes eléctricas que involu-
cra nuevos problemas tanto en el control, calidad de energía y protec-
ción eléctrica. Con el calentamiento global que involucra cambios en
el comportamiento de las épocas de lluvia y de verano, lleva consigo
también una cierta incertidumbre en la disponibilidad de recursos natu-
rales (como el agua) utilizados para la generación de electricidad. Ante
esto y dado también que la región andina se proyecta a un crecimien-
to económica en el corto y mediano plazo, se hace necesario analizar,
estudiar, proponer y brindar resultados sobre una nueva tendencia de
implementación de las redes eléctricas conocida como MG de energía,
las cuales según se verá en lo consiguiente del presente trabajo, se puede
implementar con consiguientes benecios para usuarios, empresas, so-
ciedad en general y cuidado del medio ambiente.
Hay varios programas de investigación sobre energías renovables y, que
ha llevado a deniciones como Generación Distribuida, Smart Grid y
MG.
Las MG son en pequeña escala, redes de suministro de calor y energía
eléctrica que alimentan cargas eléctricas y de calor a una comunidad
pequeña. Es una red activa que controla potencias de hasta 10 MVA y
al que se le puede colocar los medios adecuados para asegurar la exibi-
lidad del sistema y la calidad de la energía. Las MG en los últimos años
es un tema de mucho interés por sus benecios (reduce costos de trans-
misión y de inversión de redes, acortando el tiempo de construcción y
facilita el proceso de sitios para pequeñas plantas de potencia.
En la Universidad Nacional de Ingeniería (Lima, Perú) existen experien-
cias como el “Diseño, construcción y caracterización de un sistema de
generación de 500 W”; un trabajo sobre “Micro-networks: Sistemas In-
terligados de energías no convencionales para la Independencia Energé-
tica”, otro sobre “Desarrollo de un Sistema de Biodigestores y Energías
Limpias”, más el trabajo del Centro de Energías Renovables (CERN) y
Laboratorios de la Facultad de Ciencias.
El estudio se ha hecho bajo ciertos criterios tomados de la bibliografía
consultada con la cual se ha modelado y simulado una MG de fuentes
de energía renovables, cargas eléctricas y el controlador, todo ello hecho
en Matlab/Simulink.
3. DESCRIPCION DE ELEMENTOS DE LA MICROGRID.
3.1 Turbina eólica.
La potencia ideal de una masa de aire uyendo se describe mediante (1)
donde ρ= densidad de aire y ν= velocidad del viento.
La densidad varía según las condiciones ambien-
tales del lugar en el que se ubicará la central eóli-
ca, descrito según (2).
siendo ρ0 la densidad atmosférica estándar a nivel
del mar; R es la constante especíca del gas para
el aire; g es la gravedad; T la temperatura ambien-
tal y z la altitud. La energía disponible en el viento
es la integración de (1).
Se utilizó también el tip speed ratio “λ” según (3).
donde ω es la velocidad rotacional del rotor y R
es el radio del rotor.
Se usa nalmente las siguientes ecuaciones tanto
para el tip speed ratio real “λi” y el coeciente de
potencia “Cp” precisados en (4) y (5).
siendo β el ángulo de ataque del álabe. Se ha si-
mulado toda la turbina (ver Figura 1)
3.2 Panel solar fotovoltaico.
Los paneles solares se han trabajado en base a
silicio del cual se ha obtenido los datos del coe-
ciente de absorción. Las células solares se conec-
tan en serie y paralelo para obtener los voltajes y
potencia de salida deseados. Las eciencias de los
paneles solares se van incrementando progresi-
vamente.
La densidad de corriente se dene según (6).
donde: JSC es la densidad de corriente espectral
de cortocircuito; J0 es la densidad de corriente de
saturación, ν es el voltaje en los electrodos de la
célula solar y VT es el voltaje térmico de la célula.
PA
v
V
=
1
2
3
ρ
ρ
ρ
()z
RT
gz
RT
o
=
−
λ
ω
=
R
V
λ
λ
i
R
=
3600
1609
Ce
pi
i
=− −
()
−
1
2
0 022 56
2
017
λβ
λ
..
.
Figura 1. Cp, β y potencia de una turbina de 100 kW
de capacidad nominal.
JJ Je
SC o
v
v
T
=− −
1
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4.1 Control de Voltaje, Potencia y Corriente.
Se prioriza el mantener el nivel de voltaje de la MG y de las cargas por
encima de determinado valor mínimo. El despacho de potencia se prio-
riza en orden: energías renovables, fuentes de almacenamiento y en caso
de faltar potencia, ingresa desde la red eléctrica convencional. Se hace
un balance de voltajes, potencias, corrientes y energías generadas, con-
sumidas y almacenadas.
5. RESULTADO DE LA SIMULACION DE LA MICROGRID
En los resultados se presentan los valores de potencia, corriente, energía
y voltaje de todos los elementos de la MG.
II Ie
SC o
v
v
T
=− −
1
IAJ
SC SC
=
IAJ
oo
=
PVI=×
PP
G
G
kT T
PV SCT
ING
STC
cr
=+
−
()
1
Figura 2: MG conectada a red eléctrica.
Figura 3: MG desconectada a red eléctrica.
Figura 4: Balance de Potencia y detalle de Baterías, Paneles Solares.
La corriente generada en la célula solar es:
que guardan relación con densidades por:
donde A es el área total del dispositivo. Y la
potencia eléctrica de la célula es:
Pero adoptando la irradiación solar y la tempera-
tura de la célula, la expresión queda:
siendo: PPV, la potencia generada; PSCT la po-
tencia nominal en condiciones de prueba están-
dar; GING la irradiancia instantánea; GSTC la
irradiancia solar en condiciones de prueba están-
dar y k es el coeciente de temperatura del silicio
con que se fabrica la célula fotovoltaica.
3.3 Cargas eléctricas domiciliarias.
Tienen un comportamiento característico a lo
largo del día, caracterizado principalmente por
un fuerte incremento en las primeras horas de la
noche (la hora punta). Utilizan un inversor multi-
nivel de buen desempeño con el cual se alimentan
del sistema de distribución dc de la MG.
3.4 Transformador – Recticador.
Se ha utilizado las expresiones matemáticas de un
transformador ideal que trabaja con un rectica-
dor de buen desempeño. Estos van a servir para
convertir el suministro o generación de ac al sis-
tema de distribución dc de la MG.
4. MICROGRID EN ESTUDIO
La MG consta de elementos que trabajan coor-
dinadamente conectada a la red eléctrica conven-
cional (ver Figura 2) o de manera independiente
(Figura 3).
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Diferentes situaciones de trabajo se ha analizado, como por ejemplo:
MG con baterías que no llegan a su capacidad máxima de carga; MG con
baterías totalmente agotadas; MG con baterías que llegan a su máxima
capacidad de almacenamiento y presentan exceso de energía, de este
último caso se muestra el balance general de potencia y el detalle de la
fuente de almacenamiento (Figura 4) y el exceso de potencia y energía
(Figura 5).
6. CONCLUSIONES
Se ha desarrollado el software en Matlab/ Si-
mulink y evaluado en estado estable un nuevo
modelo de MG, que es adaptable a los actuales
sistemas de distribución de energía eléctrica. Se
sugiere una siguiente fase experimental a nivel de
prototipo y la conformación de equipos multi-
disciplinarios de optimización, coordinación de
protección, información, respuesta ante procesos
transitorios normales y de avería en la MG.
Figura 5: Sobrante de Potencia (W) y Energía (Wh)
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