¿No Más Apagones? El Nuevo Marco Garantiza La Estabilidad De Las Microrredes

El nuevo marco garantiza la estabilidad de las microrredes

Muchas comunidades rurales están recurriendo a microredes, sistemas de energía a pequeña escala que suministran energía local, generalmente en forma de energía solar, a consumidores localizados, como hogares individuales o pequeñas aldeas.

Instalando condensadores, MIT Los ingenieros revelan un nuevo método para garantizar la estabilidad de cualquier microrred que funcione con corriente continua.

Hoy en día, más de 1.300 millones de personas viven sin acceso regular a la energía, incluidos más de 300 millones en India y 600 millones en África subsahariana. En estos y otros países en desarrollo, el acceso a una red eléctrica principal, particularmente en las regiones rurales, es remoto y, a menudo, poco confiable.

Cada vez más, muchas comunidades rurales y algunas urbanas están recurriendo a las microrredes como fuente alternativa de electricidad. Las microrredes son sistemas de energía a pequeña escala que suministran energía local, generalmente en forma de energía solar, a consumidores localizados, como hogares individuales o aldeas pequeñas.

Sin embargo, cuanto más pequeño es un sistema de energía, más vulnerable es a los cortes. Pequeñas perturbaciones, como enchufar un determinado electrodoméstico o demasiados cargadores de teléfono, pueden provocar la desestabilización de una microrred y un cortocircuito.

Por esta razón, los ingenieros suelen diseñar microrredes en configuraciones simples y centralizadas con cables gruesos y condensadores grandes. Esto limita la cantidad de energía que cualquier dispositivo puede extraer de una red, una medida conservadora que aumenta la confiabilidad de una microrred, pero tiene un costo significativo.

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un método para garantizar la estabilidad de cualquier microrred que funcione con corriente continua o CC, una arquitectura que se propuso originalmente como parte del proyecto uLink del MIT Tata Center. Los investigadores descubrieron que pueden garantizar la estabilidad de una microrred instalando condensadores, que son dispositivos que igualan los picos y caídas de voltaje, de un tamaño o capacitancia particular.

El equipo calculó la capacitancia mínima en una carga particular que se requiere para mantener la estabilidad de una microrred, dada la carga total o la energía que consume una comunidad. Es importante destacar que este cálculo no depende de la configuración particular de una red de líneas de transmisión y fuentes de energía. Esto significa que los diseñadores de microrredes no tienen que empezar desde cero en el diseño de sistemas de energía para cada nueva comunidad.

En cambio, los investigadores dicen que este proceso de diseño de microrredes se puede realizar una vez para desarrollar, por ejemplo, “kits” de sistemas de energía: conjuntos de fuentes de energía modulares, cargas y líneas que se pueden producir a granel. Siempre que las unidades de carga incluyan condensadores del tamaño adecuado, se garantiza la estabilidad del sistema, independientemente de cómo estén conectados los componentes individuales.

Los investigadores dicen que un diseño modular de este tipo puede reconfigurarse fácilmente para las necesidades cambiantes, como hogares adicionales que se unen a la microrred existente de una comunidad.

“Lo que proponemos es este concepto de microrredes ad hoc: microrredes que pueden crearse sin ninguna planificación previa y pueden funcionar sin ningún tipo de supervisión. Puede tomar diferentes componentes, interconectarlos de cualquier manera que sea adecuada para usted y está garantizado que funcionará ”, dice Konstantin Turitsyn, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Al final, es un paso hacia las microrredes de menor costo que pueden proporcionar un nivel garantizado de confiabilidad y seguridad”.

Los resultados del equipo aparecen en línea en la revista IEEE  Control Systems Letters,  con la estudiante graduada Kathleen Cavanagh y Julia Belk ’17.

Volviendo a las operaciones normales

Cavanagh dice que el trabajo del equipo buscaba enfrentar un desafío central en el diseño de microrredes: “¿Qué pasa si no conocemos la red de antemano y no sabemos en qué aldea se desplegará una microrred? ¿Podemos diseñar componentes de tal manera que, sin importar cómo las personas los interconecten, sigan funcionando? “

Los investigadores buscaron formas de restringir las dimensiones de los componentes principales de una microrred (líneas de transmisión, fuentes de energía y cargas, o elementos que consumen energía) de una manera que garantice la estabilidad general de un sistema sin depender del diseño particular de la red.

Para hacerlo, recurrieron a la teoría del potencial de Brayton-Moser, una teoría matemática general desarrollada en la década de 1960 que caracteriza la dinámica del flujo de energía dentro de un sistema que comprende varios componentes físicos e interconectados, como los circuitos no lineales.

“Aquí aplicamos esta teoría a sistemas cuyo objetivo principal es la transferencia de poder, en lugar de realizar operaciones lógicas”, dice Turitsyn.

El equipo aplicó la teoría a una representación simple pero realista de una microrred. Esto permitió a los investigadores observar las perturbaciones causadas cuando hubo una variación en la carga, como cuando se enchufó un teléfono celular a su cargador o se apagó un ventilador. Demostraron que la configuración del peor de los casos es una red simple que comprende una fuente conectada a una carga. La identificación de esta configuración simple les permitió eliminar cualquier dependencia de una configuración o topología de red específica.

“Esta teoría fue útil para demostrar que, para una capacitancia suficientemente alta, el voltaje de una microrred no llegará a niveles críticamente bajos, y el sistema se recuperará y continuará con las operaciones normales”, dice Turitsyn.

Proyecto de poder

A partir de sus cálculos, el equipo desarrolló un marco que relaciona los requisitos generales de energía de una microrred, la longitud de sus líneas de transmisión y sus demandas de energía con el tamaño específico del condensador requerido para mantener estable el sistema.

“Asegurar que esta red simple sea estable garantiza que todas las demás redes con la misma longitud de línea o menor también sean estables”, dice Turitsyn. “Esa fue la información clave que nos permitió desarrollar declaraciones que no dependen de la configuración de la red”.

“Esto significa que no tiene que sobredimensionar sus capacitores en un factor de 10, porque damos condiciones explícitas donde permanecería estable, incluso en los peores escenarios”, dice Cavanagh.

Al final, el marco del equipo proporciona un modelo más económico y flexible para diseñar y adaptar microrredes, para cualquier configuración de comunidad. Por ejemplo, los operadores de microrredes pueden usar el marco para determinar el tamaño de un condensador dado que estabilizará una determinada carga. A la inversa, una comunidad a la que se le ha entregado hardware para configurar una microrred puede usar el marco del grupo para determinar la longitud máxima que deben tener las líneas de transmisión, así como el tipo de electrodomésticos que los componentes pueden mantener de manera segura.

“En algunas situaciones, para niveles de voltaje dados, no podemos garantizar la estabilidad con respecto a un cambio de carga dado, y tal vez un consumidor pueda decidir que está bien usar un ventilador tan grande, pero no uno más grande”, dice Turitsyn. “Por lo tanto, no solo podría tratarse de un condensador, sino que también podría limitar la cantidad máxima aceptada de energía que las personas pueden usar”.

En el futuro, los investigadores esperan adoptar un enfoque similar a las microrredes de corriente alterna o alterna, que se utilizan principalmente en países desarrollados como Estados Unidos.

“En el futuro queremos extender este trabajo a las microrredes de CA, para que no tengamos situaciones como después del huracán María, donde en Puerto Rico ahora la expectativa es que pasarán varios meses más antes de que la energía se restaure por completo”, Turitsyn. dice. “En estas situaciones, la capacidad de implementar microrredes basadas en energía solar sin mucha planificación previa y con flexibilidad en las conexiones sería un importante paso adelante”.

Esta investigación fue patrocinada por el MIT Tata Center for Technology and Design.

Publicación: Kathleen Cavanagh, et al., “Garantías de estabilidad transitoria para microrredes de CC ad hoc”, IEEE Control Systems Letters, 2017; DOI: 10.1109 / LCSYS.2017.2764441

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