Microrredes
Eléctricas
Dr. Luis Hernández Callejo – Universidad de Valladolid (UVa), España
Febrero 2019, 2ª edición Workshop Internacional: "Planificación de Transporte y Ciudades Inteligentes"
ÍNDICE
• Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas.
• Composición de la microrred eléctrica.
• Generación y almacenamiento.
• Control de la microrred eléctrica.
• Forecast de la generación y demanda.
• Monitorización y gestión de la microrred eléctrica.
• Beneficios de la microrred eléctrica.
Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas
Smart Grid
Surge la Smart Grid, término traducible por “red de energía eléctrica inteligente”, ya que utiliza las tecnologías de la información
y comunicaciones para intentar optimizar la producción y la distribución de electricidad con el fin de equilibrar mejor la oferta y la
demanda entre productores y consumidores.
Según la literatura, otras definiciones de Smart Grid son:
 Según el Electric Power Research Institute (EPRI): “sistema eléctrico capaz de suministrar energía a millones de clientes,
dotado de una infraestructura de comunicaciones inteligente que permite establecer puntualmente el flujo de información
adaptable y seguro necesario para abastecer una economía digital en constante evolución”.
 Según la compañía General Electric: “es internet de la energía que distribuye información de la red eléctrica en tiempo real
para potenciar elecciones energéticas más inteligentes”.
 De nuevo General Electric: “red de transmisión y distribución avanzada que emplea información digital y tecnologías de control
para mejorar la fiabilidad, la seguridad y la eficiencia”.
 Según otros autores: “hardware y software incorporados al sistema eléctrico para conseguir una reacción más autónoma ante
eventos que puedan afectar a la red y una eficiencia operativa diaria del suministro”.
Fuente: http://hrudnick.sitios.ing.uc.cl/alumno14/smartgrid/index.html
Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas
Smart Grid
Principales características de la infraestructura de red clásica y la nueva infraestructura de futuro
Infraestructura de red clásica
(siglo XX)
Nueva infraestructura de red
Electromecánica
Digital
Comunicación en una dirección
Comunicaciones bidireccionales
Generación centralizada
Generación distribuida
Algunos sensores
Red monitorizada y con sensores
Propensa a fallos y desconexiones
Protecciones adaptativas
Decisiones de emergencia humanas
Decisiones basadas en sistemas
Control limitado sobre flujos
Total control sobre flujos de potencia
Información de precio de electricidad escaso
Información de precio de electricidad total
Consumidores pasivos
Consumidores activos
(Smart Grid, siglo XXI)
Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas
Microrred y Microrred Eléctrica
Para comenzar este epígrafe, debemos definir el concepto de microrred, según algunos autores (Consortium for Electric
Reliability Technology Solutions, CERTS) se define microrred como:
“(…) una agregación de cargas y microgeneradores operando como un sistema único que provee tanto energía eléctrica como
térmica (…)”.
Tras la anterior definición hemos podido observar que bajo el paraguas de la microrred se pretende dar solución a un problema
térmico y a uno eléctrico.
Con respecto a la microrred eléctrica, la mayoría de los generadores de pequeña potencia conectados lo estarán por medio de
convertidores de potencia, dotándola de flexibilidad en cuanto a su operación, y disponiendo de un sistema agregado de
generación. El control de los convertidores permite a la microrred eléctrica cubrir las necesidades locales con fiabilidad y
seguridad. Ya se puede observar como cierta clave en la microrred eléctrica consiste en el control de sus elementos, no solo de
generadores, sino de almacenamiento eléctrico y cargas.
En la definición del CERTS sobre microrred, y centrándonos en la parte eléctrica, no se especifica si esta funciona de manera
aislada de la red de distribución o conectada a la misma. Aunque también veremos que una de las funcionalidades de la
microrred eléctrica es la de poder desconectar y conectar la microrred eléctrica de la red de distribución. Tecnalia y Hernández
(2018), por su parte, redefinen la microrred eléctrica como:
“(…) el sistema formado por fuentes de generación, equipos de almacenamiento y cargas conectadas eléctricamente, que
puede funcionar tanto conectado al sistema principal como aislado del mismo en el caso de perturbaciones eléctricas,
que se controla desde el operador del sistema como un sistema agregado y en el que hay que planificar y gestionar la energía
generada y consumida”.
En esta definición sí se acomete la idea de que la microrred eléctrica esté conectada o no a la red de distribución,
intuyéndose que será una decisión la conexión o desconexión de la propia microrred eléctrica, tratando de garantizar ciertos
parámetros internos de la misma.
Fuente: https://www.smartgridsinfo.es/2014/12/18/i-sareprimera-microrred-electrica-inteligente-de-guipuzcoa
Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas
Microrred y Microrred Eléctrica
En las definiciones manejadas de microrred eléctrica no se especifica si la conexión debe de ser en baja tensión o media
tensión, ni fija los límites de su potencia. Esto dependerá de la aplicación de la microrred eléctrica, del volumen de demanda
que se pretenda satisfacer, así como de su ubicación física.
Por tanto, una microrred eléctrica podría estar compuesta por los elementos existentes en un edificio, pudiendo definir el término
nanogrid, o ser del tamaño de un pueblo o pequeña ciudad.
Fuente: Hernández, 2018.
Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas
Clasificación de la microrred eléctrica
Clasificación según:
Fuente: Hernández, 2018.
Nomenclatura de la microrred eléctrica
Microrred eléctrica simple
Microrred eléctrica múltiple
Función
Microrred eléctrica de empresa comercializadora de electricidad
Microrred eléctrica simple (2 MW)
Microrred eléctrica corporativa (2-5 MW)
Microrred eléctrica de área de alimentación (5-20 MW)
Capacidad (potencia entre paréntesis)
Microrred eléctrica de área de subestación (20 MW)
Microrred eléctrica independiente (cualquier potencia)
Microrred eléctrica en Corriente continua
Tipo Corriente alterna/ Corriente
continua
Microrred eléctrica en Corriente alterna
Microrred eléctrica híbrida Corriente alterna/Corriente continua
Un elemento importante es el punto de acoplamiento común (Point of Common Coupling, PCC), siendo el punto del circuito
eléctrico donde la microrred eléctrica conecta a la red principal de distribución, pudiendo ser en baja tensión o en media tensión.
Fuente: Hernández, 2018.
Concepto de Smart Grid y Microrredes Eléctricas
¿Qué no es una microrred eléctrica?
Las microrredes eléctricas tienen la capacidad de cambiar a funcionamiento en isla en situaciones de emergencia,
aumentando así la fiabilidad del cliente, aunque en la mayoría de las veces operan interconectadas a la red de distribución. Los
sistemas aislados se caracterizan por el control coordinado de los recursos, por lo tanto, dependiendo de su tamaño y el grado
de penetración y control de sus fuentes de energía renovables , pueden ser confundidos con una microrred eléctrica. Pero un
sistema aislado no debe entenderse como una microrred eléctrica, no solo por la no existencia de red de distribución de
la que desconectarse o a la que conectarse, sino porque no tiene ni el hardware ni la algoritmia para poder conectarse o
desconectarse de la misma, así como para realizar otras labores propias de la microrred eléctrica.
En cambio, un sistema aislado puede entenderse como una microrred eléctrica en potencia, ya que si en algún momento
llegase la red principal de distribución, habría que completarla con el hardware necesario (punto de acoplamiento común entre
otros), así como la modificación en la gestión y control, ya que deberá recibir información de la red de distribución o enviarla
hacia la misma.
También se ha mostrado que la microrred eléctrica es en esencia un espacio para el control y la gestión de generación
distribuida, almacenamiento eléctrico distribuido y cargas, pero una microrred eléctrica es más que una red pasiva con
elementos de generación. Las redes pasivas son conocidas como redes que incorporan generación bajo la máxima de
conecta y olvida, mientras que la microrred eléctrica necesita una supervisión, control y optimización activos. No obstante,
convertir una red pasiva en una microrred eléctrica no debería suponer un desembolso económico elevado.
Fuente: http://www.prosolergy.com/luz-sistemaaislado/
Composición de la microrred eléctrica
Elementos principales de una microrred eléctrica
Aunque cada microrred eléctrica dispondrá de elementos que la harán única, se puede generalizar y proponer la composición y
estructura básica de una microrred eléctrica según los siguientes elementos:
 Generación distribuida: puede ser variada, intentando instalar tecnología que aproveche el recurso local disponible en el
emplazamiento.
 Cargas: incluyen las cargas comunes y las cargas críticas. En una situación de insuficiencia de energía para abastecer a las
cargas, las cargas críticas deberán ser atendidas, mientras que las cargas comunes pueden no ser atendidas y, por tanto, ser
prescindibles y desconectadas.
 Almacenamiento: alguna de sus aplicaciones son:
 servir como apoyo a la generación distribuida renovable de la microrred eléctrica,
 el desplazamiento de los consumos de cargas a otros instantes de tiempo dentro de la operación horaria del día y
 para la recuperación de un colapso de red (Black Start).
 Controlador central de la microrred (MicroGrid Center Controller, MGCC): puede considerarse el corazón del sistema de
control y gestión de la microrred eléctrica. Gobernará las acciones que tengan que ver con la generación distribuida, el
almacenamiento eléctrico distribuido, las cargas y la transferencia entre el modo de conexión a red y modo isla. De la misma
forma facilitará la monitorización en tiempo real de la microrred y la gestión de la energía.
Composición de la microrred eléctrica
Elementos principales de una microrred eléctrica
Composición y estructura básica de una microrred eléctrica
Fuente: Hernández, 2018.
Composición de la microrred eléctrica
Estructura de la microrred eléctrica
La microrred eléctrica necesita la presencia de los siguientes elementos:
 Controlador de la microgeneración: es responsable de controlar y vigilar las fuentes de energía renovables, como por
ejemplo, la generación distribuida, los dispositivos de almacenamiento eléctrico distribuido y las cargas, donde se incluyen los
vehículos eléctricos. El controlador podría ser un dispositivo de hardware independiente o un elemento de software instalado,
ya sea en el medidor inteligente (Smart Meter, SM), en la interfaz electrónica de la generación distribuida o cualquier
dispositivo de campo con suficiente capacidad de procesamiento.
 Controlador central de la microrred: proporciona la interfaz principal entre la microrred eléctrica y otros actores como
el operador del sistema de distribución (o la comercializadora), y puede asumir diferentes roles, que van desde la
maximización del valor de la microrred eléctrica hasta la simple coordinación de los controladores locales de la
microgeneración. Puede proporcionar valores de referencia para los controladores, o simplemente vigilar o supervisar su
funcionamiento sin actuación alguna. El controlador central de la microrred suele estar alojado en la subestación de media
tensión/baja tensión, y se compone de un conjunto de rutinas software con diferentes funcionalidades, dependiendo del grado
de complejidad de que presente la microrred.
 Sistema de gestión de la distribución: es el responsable, entre otras acciones, de la colaboración entre el operador del
sistema de distribución, la comercializadora y el operador de la microrred eléctrica. Presenta una plataforma basada en
arquitectura orientada a servicio, y sus funcionalidades están integradas en un sistema troncal. En ciertos casos, el software
del controlador central de la microrred se puede integrar en esta plataforma. Sus funcionalidades están integradas en un
sistema troncal, plataforma basada en la arquitectura orientada a servicios. En algunos casos, el software del controlador
central de la microrred se puede integrar en esta plataforma.
 Operador de la microrred eléctrica: aunque este rol puede ser asumido por el operador del sistema de distribución, es muy
probable que aparezca un operador de la microrred eléctrica dedicado por completo a esta labor y de forma independiente con
los roles del operador del sistema de distribución. Se trata de una configuración especial e independiente de la red de
distribución, y que suele aparecer en espacios concretos, como un centro comercial o un aeropuerto. En este caso, en
operador de microrred eléctrica dedicado puede ser responsable de la gestión de la parte concreta de la red bajo su control y
supervisión.
Composición de la microrred eléctrica
Modos de operación de la microrred eléctrica
Según el modo de funcionamiento, la microrred eléctrica puede ser:
 Conectada: la microrred eléctrica está conectada a una red de distribución, y está orientada a operar de forma conectada a
un sistema eléctrico convencional, hasta que las condiciones de operación indiquen un cambio de estado (de operación).
 Aislada: la microrred eléctrica no está conectada a una red de distribución, y es capaz de mantener el equilibrio interno entre
la demanda eléctrica y su generación de la generación distribuida, empleando para ello el almacenamiento eléctrico
distribuido.
Según su topología, la microrred eléctrica puede ser:
 Radial: la microrred eléctrica queda conectada al sistema de energía por un único punto. Esto implica que un problema en
algún nodo de distribución del sistema, dejará desconectada a la microrred eléctrica del mismo, no permitiendo caminos
redundados. Este razonamiento es similar para el conexionado interno de la microrred eléctrica.
 Mallada: la microrred eléctrica está conectada con sistemas diferentes de energía, aunque se encuentre conectada solo por
uno de ellos. En este caso sí se puede hablar de redundancia en la alimentación externa de la microrred eléctrica.
Razonamiento similar para el conexionado interno de la microrred eléctrica.
Según su control, la microrred eléctrica puede ser:
 Control principal físico: puede suceder que un equipo de generación distribuida o almacenamiento eléctrico distribuido con
suficiente potencia, y superior a la del resto, sea capaz de garantizar la estabilidad instantánea entre la generación y la
demanda de la microrred eléctrica.
 Control principal virtual: la estabilidad del sistema se consigue mediante varios equipos, y no recae toda la responsabilidad
en un único equipo. Mediante Tecnologías de la Información y Comunicaciones, y con un control externo se consigue la
coordinación en tiempo real de un número concreto de componentes. Estos componentes operan de forma acoplada, aun
estando físicamente separados, simulando un único componente de un gran generador o almacenador.
 Control distribuido: cada equipo de generación distribuida o almacenamiento eléctrico distribuido dispone de su propio
elemento de lógica de control, y el conjunto de componentes reaccionan de forma coordinada con el resto. Las contribuciones
individuales son supervisadas y reajustadas por un sistema de control paralelo adicional.
Generación y almacenamiento
Generación Distribuida
No se puede dar una definición exacta sobre la generación distribuida, ya que podría realizarse en función de la tecnología
empleada, de la potencia o del emplazamiento donde se conectase a la red eléctrica. No obstante, se puede entender por
generación distribuida como “aquella que se encuentra cerca del consumidor final de energía eléctrica”. En muchos casos, es el
propio consumidor el que adopta la función de generador también, apareciendo el nuevo término prosumer (productor y
consumidor).
La generación distribuida podrá estar conectada en la red de distribución, tanto en baja tensión como en media tensión. Sin
embargo, también podría aparecer conectada en la red de transporte, ya que podrían existir puntos con grandes exigencias de
potencia demandada, siendo interesante alimentarlos con generación próxima a los mismos.
Ampliando las definiciones:
“la generación distribuida es típicamente desde unos pocos kilovatios hasta 400 M W”
“la ubicación de generación distribuida se define como la instalación y operación de las unidades de generación de energía
eléctrica conectadas directamente a la red de distribución o conectadas en el emplazamiento del consumidor”.
La potencia de la generación distribuida podrá variar en el rango de un kilovatio a los centenares de megavatio. Se puede decir
por tanto, que existen dos modelos de generación distribuida, los cuales se indican a continuación:
 Generación distribuida local: son las plantas de generación que conocemos en los últimos años, grandes parques eólicos o
grandes plantas de módulos fotovoltaicos fotovoltaicas para la producción de electricidad. Estas instalaciones buscan
potencias elevadas, pero en una escala inferior a las grandes plantas clásicas de gran potencia (térmicas o nucleares).
 Generación distribuida en punto final: instalar tecnologías, normalmente renovables (eólica, fotovoltaica, hidráulica,
biomasa, etc.), en los consumidores finales. No obstante, podrían ser instalaciones no renovables, como motores de gas.
Generación y almacenamiento
Tecnologías de generación para Generación Distribuida
Fuente: Hernández, 2018.
Tecnología
Potencia disponible por
unidad
Turbina de gas de ciclo combinado
35-400 MW
Motor de combustión interna
5 kW-10 MW
Turbina de combustión
1.250 MW
Microturbina
25 kW-1 MW
Mini-hidráulica
1.100 MW
Micro-hidráulica
25 kW-1 MW
Turbinas eólicas
200 W-3 MW
Módulos fotovoltaicos
20 W-100 kW
Solar térmica-torre de concentración
Biomasa (gasificación)
Geotérmica
Energía oceánica
Motor Stirling
Almacenamiento de batería
1-100 MW
100 kW-20 MW
5-100 MW
100 kW-1 MW
210 kW
500 kW-5 MW
Generación y almacenamiento
Almacenamiento distribuido y tecnologías de almacenamiento eléctrico
En general, los roles de los sistemas de almacenamiento eléctrico distribuido para conexión a red se pueden describir por sus
ciclos y la duración de la operación, como se muestra en la siguiente figura.
Fuente: Hernández, 2018.
Tecnología
Bombeo
Estado
comercial
Disponible
Potencia
Eficiencia
Respuesta
100-4.000 MW
72-81%
Rápida
Tiempo
de
Viada útil (años)
Aplicación
Rápido
Grande
Turbinado/bombeo
Grande
Transición a isla
descarga
Volantes de inercia
Disponible
<1.600 kW
90-95%
Muy rápida
Muy
rápido
Aire comprimido en
reservas
Disponible
100-1.000 MW
Alta
Rápida
Rápido
Grande
Carga en valle y
descarga
en punta
Aire
comprimido
en depósitos
En
desarrollo
50-100 MW
Alta
Rápida
Rápido
Grande
Carga en valle y
descarga en punta
Batería de
Plomo-Ácido
Disponible
1 kW-40 MW
Alta
Rápida
Rápido
Limitada
Carga en valle y
descarga en punta.
Acoplado a
renovable
Batería de
Niquel-Cadmio
Disponible
1 kW-40 MW
Alta
Rápida
Rápido
Limitada
Carga en valle y
descarga en punta
Hidrógeno
(pila de
combustible)
Pruebas
<250 kW
Alta
Rápida
Rápido
Limitada
Carga en valle y
Descarga
en punta
Hidrógeno
(motor)
Demostración
<2 MW
Alta
Rápida
Rápido
Limitada
Carga en valle y
descarga
en punta
Almacenamiento de
energía en
superconductores
magnéticos (SMES)
Prototipos
10 kW-100 MW
Muy Alta
Muy rápida
Muy
rápido
Grande
Transición
a isla
Supercondensadores
Prototipos
10 kW-1 MW
Muy Alta
Muy rápida
Muy
rápido
Grande
Transición
a isla
Control de la microrred eléctrica
Funciones de control
Fuente: Hernández, 2018.
Control de la microrred eléctrica
Control centralizado
Cuando la microrred eléctrica está en estado estable y estacionario, ver siguiente figura, el control centralizado se basará en que
las decisiones de funcionamiento de los elementos de generación distribuida sean tomadas por el operador de la microrred
eléctrica o del sistema de distribución.
El controlador central de la microrred está equipado, entre otras cosas, con rutinas de programación que proporcionan puntos de
ajuste óptimos para los microcontroladores de la generación distribuida, basándose en los objetivos generales de optimización.
Fuente: Hernández, 2018.
Control de la microrred eléctrica
Control descentralizado
La idea de control descentralizado se está volviendo cada vez más popular, no solo para la microrred eléctrica, sino también
para otras funciones de los sistemas de energía y gestión de las redes de distribución en general. Un enfoque interesante para
diseñar y desarrollar sistemas descentralizados se basa en la teoría de sistema multi-agente (Multi-Agent System, MAS). La
idea principal del sistema multi-agente es que cada elemento gestionable/controlable asume un proceso de control autónomo,
con cierto poder de decisión local, pero sin perder el objetivo global del sistema.
Fuente: Hernández, 2018.
Forecast de la generación y demanda
¿Por qué disponer de herramientas de previsión en generación y demanda en la microrred eléctrica?
Dependiendo del modo de operación de la microrred eléctrica, así será de necesario la previsión. Es evidente que en la
operación en modo isla, la previsión de la demanda es de primordial importancia, ya que el objetivo es lograr el equilibrio
del sistema. Sin embargo, en operaciones con la microrred eléctrica interconectada con la red de distribución, la
importancia de la previsión de la demanda o de la producción puede cambiar, dependiendo de los siguientes enfoques:
 un enfoque basado en el sistema, o
 un enfoque orientado hacia el cliente.
En el primer caso, las funciones de la previsión pueden tener menos importancia, ya que se puede considerar la microrred
eléctrica como un elemento conectado a una fuente de energía infinita, la cual es capaz de cubrir cualquier déficit de potencia de
la microrred eléctrica en cualquier momento. Sin embargo, en un enfoque orientado al cliente, la economía (y por tanto,
previsión) ganan en importancia.
Forecast de la generación y demanda
¿Cómo calcular la demanda en la microrred eléctrica?
Un enfoque muy sencillo es mediante la persistencia, un método simple donde la variable predicha conservará el valor actual
durante el siguiente periodo, tal como muestra la siguiente ecuación:
La aparición de estos nuevos entornos de futuro requerirá de inteligencia distribuida y, entre otras herramientas, nuevos modelos
y aplicaciones de previsión basados en inteligencia artificial (Artificial Intelligence, AI), como los modelos basados en redes
neuronales artificiales (Artificial Neural Network, ANN). Estas herramientas basadas en inteligencia artificial no serán
únicamente para el problema de previsión de la demanda y generación eléctrica, además servirán para la integración de los
nuevos actores que aparecen en el sistema de energía eléctrica. Además de la inteligencia artificial distribuida, tanto las
comunicaciones digitales como el control deberán realizarse de manera segura.
Fuente:
http://www.ingenieros.es/noticias/v
er/modelo-de-prediccion-de-lademanda-electrica-basado-enredes-inteligentes/4390
Forecast de la generación y demanda
Clasificación de la predicción
En cuanto al horizonte de predicción
Fuente: Hernández, 2018.
Forecast de la generación y demanda
Clasificación de la predicción
En cuanto al objetivo de predicción
Fuente: Hernández, 2018.
Monitorización y gestión de la microrred eléctrica
Estructura de un sistema de monitorización
El sistema de monitorización de una microrred eléctrica debe estar coordinado con el control local y el de protección de la
misma, así como con el despacho del sistema de distribución. De forma resumida, el sistema de monitorización presenta las
funciones siguientes:
 Monitoriza de forma online la adquisición de datos, el control de supervisión y el estado de los elementos de generación
distribuida, almacenamiento eléctrico distribuido y cargas.
 Se encarga de hacer ciertas funciones de gestión de servicios, como por ejemplo la predicción del flujo de potencia en líneas,
y de la salida de potencia de los elementos de generación distribuida.
 También realiza el control de la salida de potencia de los elementos de generación distribuida y el control de su equilibrio.
 Se encarga del despacho optimizado de la energía, mediante un análisis y toma de decisiones inteligente.
Fuente: Hernández, 2018.
Monitorización y gestión de la microrred eléctrica
Gestión de energía de la microrred eléctrica
El sistema de gestión de la energía tiene varios objetivos, pero su principal es el mantener la estabilidad y la seguridad de la
microrred eléctrica. Además, otro de sus objetivos es la mejora de la eficiencia energética, para lo cual empleará la previsión
de los elementos de generación distribuida y de las cargas, y hará uso del almacenamiento eléctrico distribuido disponible y las
cargas gestionables para tratar conseguir un equilibrio óptimo entre generación y demanda. Para conseguir lo anterior, el
sistema de gestión de la energía ejecutará un control optimizado basado en las características instantáneas del modo de
operación actual (conectada a red de distribución, en isla, o en la transición entre ellos), actuando sobre los elementos de
generación distribuida, almacenamiento eléctrico distribuido y cargas.
Fuente: https://www.smartgridsinfo.es/comunicaciones/ii-congreso-sg-diseno-de-la-microred-inteligente-i-sare
Beneficios de la microrred eléctrica
Dependiendo de la estrategia de operación de una microrred eléctrica, se pueden conseguir beneficios económicos, técnicos,
ambientales y sociales, tanto para los actores internos como para los externos a la misma.
Fuente: Hernández, 2018.
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MUCHAS GRACIAS
Dr. Luis Hernández Callejo – luis.hernandez.callejo@uva.es