Sistema de simulación de microrredes eléctricas aisladas basado en FPGA

Abstract

The need to reduce carbon footprint in order to achieve carbon neutrality along with the increasing demand for electric enegy make it necessary to massively use low emission and low environmental impact electric generation technologies. The generation technologies that have a lower environmental impact are those that depend on renewable energy flows (solar radiation and wind), they are small in size and are used in the same place where energy is required to be consumed. The use of this type of technology changes the way in which electrical energy is managed and produced. One of the most efficient and flexible forms of management of distributed generation sources is through microgrids. A microgrid is a collection of electrical generation, consumption and storage elements that can operate independently or in coordination with another electrical network. With the incorporation of these elements in the electrical network, the need is created to have tools that allow evaluating the design and control mechanisms necessary to ensure the quality of the energy produced in the microgrids. In this work an architecture is proposed and described to implement a digital circuit that allows to simulate a micro-grid composed of different photovoltaic solar generators and a resistive load. The architecture takes advantage of the possibility given by an FPGA to design a circuit that executes the majority of mathematical operations in parallel in order to obtain the minimum execution time in the simulation. The results obtained in different tests executed in the implemented circuit are shown, where microgrids with one, four and ten solar panels were simulated.

La necesidad de disminuir las emisiones de dióxido de carbono para alcanzar carbono neutralidad y el incremento en la demanda de energía eléctrica hacen necesario la utilización masiva de tecnologías de generación eléctrica de bajas emisiones e impacto ambiental. Las tecnologías de generación que tienen un menor impacto ambiental son aquellas que dependen de flujos de energía renovable (radiación solar y viento), son de pequeño tamaño y son utilizadas en el mismo sitio en donde se requiere que la energía sea consumida. El uso de este tipo de tecnología ocasiona cambios en la forma en que la energía eléctrica se gestiona y produce. Una de las formas de gestión más eficiente y flexible de fuentes de generación distribuida es por medio de microrredes. Una microrred es una colección de elementos de generación, consumo y almacenamiento eléctrico que puede operar de forma independiente o coordinada con otra red eléctrica. Con la incorporación de dichos elementos en la red eléctrica se crea la necesidad de tener herramientas que permitan evaluar el diseño y los mecanismos de control necesarios para asegurar la calidad de la energía producida en las microrredes. En este trabajo se propone y describe una arquitectura para implementar un circuito digital que permita simular una microrred compuesta por diferentes generadores solares fotovoltaicos y una carga resistiva. La arquitectura aprovecha la posibilidad que da un FPGA de diseñar un circuito que ejecute la mayoría de operaciones matemáticas de forma paralela para así obtener el mínimo tiempo de ejecución en la simulación. Se muestran los resultados obtenidos en diferentes pruebas realizadas al circuito implementado, donde se simulan microrredes con uno, cuatro y diez paneles solares.