Nuevos diseños de convertidores multipuerto, planificación avanzada, y estrategias de operación y control para facilitar la integración de recursos energéticos distribuidos en la red eléctrica han sido los principales resultados del proyecto iPLUG, que ha concluido este verano tras tres años de investigación apoyando la transición energética con nuevas contribuciones científicas. El proyecto, financiado por la Unión Europea con 2,12 millones de euros a través del programa Horizonte Europa, ha desarrollado una nueva electrónica de potencia basada en convertidores multipuerto, facilitando así la integración de múltiples fuentes renovables, sistemas de almacenamiento de energía y cargas a la red eléctrica.
Tradicionalmente, cada fuente de energía distribuida depende de un único convertidor de entrada/salida, que debe coordinarse con otros para ofrecer flexibilidad y servicios de red. El proyecto iPLUG desafió este paradigma al explorar topologías de convertidores multipuerto: una nueva clase de dispositivos electrónicos de potencia que pueden integrar y conectar a la red múltiples recursos energéticos al mismo tiempo. Se trata de dispositivos innovadores para una red eléctrica más sostenible.
El proyecto iPLUG ha estado coordinado por el centro de investigación CITCEA-UPC de la Universidad Politécnica de Cataluña, y los socios han sido el Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC), Estabanell Energia, infraestructures.cat, la Universidad de Padua, Chalmers, Typhoon HIL y la Universidad de Strathclyde.
Convertidores multipuerto en redes de distribución reales
El trabajo de modelado y simulación de iPLUG se estructuró en torno a dos casos de estudio representativos que analizan el impacto y el control de los convertidores multipuerto en redes de distribución reales, y que sirvieron como plataformas de prueba para el desarrollo y la validación de estrategias de control, tanto locales como coordinadas.
El primer estudio de caso representa la red de baja tensión de Anell, una red de distribución de baja tensión en zona suburbana, con tres alimentadores y condiciones de carga variables. Las simulaciones se utilizaron para evaluar el funcionamiento en estado estacionario tras la incorporación del convertidor multipuerto, así como el impacto de la configuración del controlador (modos de control de tensión o potencia) en el rendimiento local y global del alimentador. Los resultados demostraron que el convertidor puede contribuir a la estabilidad de tensión local y a los objetivos del sistema, dependiendo de la configuración de la estrategia de control.
Por su parte, el segundo estudio de caso representa el sistema de bus IEEE de 33 nodos, una red rural de media tensión con líneas radiales largas y una importante penetración de energías renovables. El análisis examina inicialmente el impacto de los diferentes modos de control de los recursos energéticos distribuidos en la estabilidad dinámica. Posteriormente, se analiza la incorporación de un convertidor multipuerto no aislado. Este estudio confirmó la importancia estratégica de implementar convertidores multipuerto en zonas de red remotas o con baja capacidad de regulación, ya que pueden mejorar significativamente la estabilidad del sistema eléctrico.
En conjunto, estos dos estudios ofrecieron un marco de simulación robusto y versátil para validar el rendimiento de las estrategias de control, tanto locales como coordinadas. Los conocimientos adquiridos a partir de estos escenarios constituyeron la base para el diseño de los controladores y los métodos de coordinación desarrollados a lo largo del proyecto.
Control avanzado
La primera parte del desarrollo de los controladores locales se centró en los convertidores multipuerto aislados, en particular aquellos basados en la topología de puente activo triple (TAB). Y en segundo lugar se abordaron los convertidores de corriente continua (CC) no aislados, centrándose en su control tanto en condiciones de operación normales como anormales. Los resultados de la simulación mostraron cómo estos convertidores pueden contribuir a la regulación de tensión y seguir suministrando energía en condiciones adversas, lo que refuerza su papel como recursos flexibles dentro de la red eléctrica.
Finalmente, se analizó un método de control avanzado basado en el control de oscilador virtual (VOC), que permite a los sistemas de microrred desempeñar funciones de generación de red. A diferencia de los métodos tradicionales de seguimiento de red, el VOC permite que los sistemas de microrred se sincronicen de forma natural con la red y presten servicios esenciales, como la emulación de inercia, la regulación de tensión y frecuencia, y el soporte para el funcionamiento en isla. Este enfoque posiciona a los sistemas de microrred no solo como dispositivos de interfaz, sino como participantes activos en la red eléctrica.
Estrategias de operación y control
Un aspecto fundamental del sistema de control iPLUG es la gestión óptima de los convertidores estáticos en la red de distribución para optimizar el rendimiento del sistema. Los resultados de la simulación demuestran que la gestión óptima de los convertidores estáticos permite una operación más eficiente de la red, maximizando su capacidad de control en múltiples puntos de conexión.
La siguiente fase de la estrategia de coordinación utiliza el control predictivo de modelos para gestionar la interacción entre múltiples convertidores y los recursos energéticos conectados. Mediante la predicción de la dinámica del sistema y las perturbaciones, el controlador ajusta los valores de referencia de cada convertidor en tiempo real, garantizando un comportamiento coordinado durante un periodo de tiempo determinado. Esta estrategia permite que los convertidores contribuyan activamente a la estabilidad de la red, especialmente en la regulación de frecuencia.
En resumen, la capa de coordinación transforma los convertidores estáticos (MCS) de dispositivos de control local en agentes de optimización a nivel de sistema. Mediante mecanismos de despacho basados en la optimización del flujo de potencia y controles predictivos, el sistema garantiza que las acciones de los convertidores se ajusten a los objetivos generales de la red. Estos resultados ponen de relieve el papel fundamental que pueden desempeñar los convertidores estáticos para garantizar un funcionamiento eficiente, estable y flexible de las redes de distribución modernas.
Validación y funcionamiento de los convertidores multipuerto
Por último, el paso final consistió en validar el convertidor multipuerto en configuraciones de laboratorio y mediante simulación hardware-in-the-loop (HIL). Esta validación confirma la robustez de las arquitecturas de control propuestas y allana el camino para el despliegue de redes de distribución inteligentes y flexibles.
El proceso de validación se estructuró en tres etapas principales HIL: simulación digital en tiempo real; validación de control hardware-in-the-loop (CHIL); y validación mediante simulación en tiempo real (PHIL).
El banco de pruebas del laboratorio de energía del IREC, socio español del proyecto, permitió validar las estrategias de coordinación centralizada mediante optimización de alto nivel. Se describieron la configuración del banco de pruebas, la adaptación del modelo para las pruebas PHIL y la demostración exitosa de la estrategia de control.
En concreto, en el marco del proyecto el IREC ha trabajado en modelos y controles avanzados para convertidores multipuerto, investigó su funcionamiento óptimo en redes de distribución, validó los modelos y controles desarrollados en Energy SmartLab y el banco de pruebas remoto Typhoon y, finalmente, realizó un análisis del ciclo de vida de los convertidores multipuerto, comparándolos con las soluciones tradicionales de entrada única/salida única, demostrando así los posibles beneficios ambientales de las soluciones propuestas por iPLUG.
Avances del proyecto iPLUG
En definitiva, el proyecto iPLUG ha explorado la integración de los convertidores multipuerto en la operación de las redes de distribución, centrándose en los modelos de sistema, las estrategias de control en tiempo real y las funcionalidades avanzadas de la red. Validando los resultados mediante experimentos con hardware real y simulaciones de control en bucle cerrado.
Los entregables del proyecto ya están disponibles y publicados en Zenodo y en este enlace. Estos documentos ofrecen información sobre los esfuerzos de investigación y desarrollo del proyecto iPLUG, contribuyendo a avances en la electrónica de potencia, las tecnologías de redes eléctricas inteligentes y la optimización de sistemas energéticos.
Gracias a estos resultados, iPLUG han sentado las bases técnicas y científicas para una nueva forma de integrar y coordinar múltiples recursos energéticos distribuidos, liberando su potencial para proporcionar servicios esenciales a la red eléctrica y contribuyendo, en última instancia, a una transición energética resiliente y sostenible.