Desarrollo e implementación de una plataforma de simulación de sistemas inteligentes de acumulación y gestión de energía con instalaciones solares y su agregación para el estudio de Smart Grids

Abstract

In the growing development framework of smart power supply networks, known as Smart Grids, Ampere Energy has been postulated as a major player. For the study and development of a research project related to Virtual Power Plants, a simulation platform of these systems is necessary. In this proposal for the Master’s Final Project (TFM ), it is intended to fully address the development of the same. From the identification of the subsystems to the validation of the resulting data, through the modeling and implementation of these. The development will be done in LabVIEW, a development software of National Instruments, reference in the world of the automation industry. The core of the TFM will be a simulation algorithm of the behavior of photovoltaic installations with accumulation with a high resolution. The vast majority of alternatives are focused on hourly or quarter-hourly simulations, however, in this TFM tools will be developed to work in the order of seconds. This supposes different associated problems. In the first place, it will be necessary to pre-elaborate the consumption and photovoltaic production data since it is extremely difficult to have this type of data with such a high granularity. Mainly, these data are added to hourly resolutions since they are the most relevant data for the billing of electric power in Spain. The TFM includes the study and development of a tool that will solve this problem. Subsequently, the identification and modeling of the subsystems that make up a photovoltaic installation with accumulation must be addressed. For example, the behavior of the photovoltaic panels, the inverter or inverters available to the installation or the accumulation battery. At this point, it will be necessary to know in detail the special operation of the Ampere Energy systems for the correct identification of the transfer functions of these elements. The following notable problem associated with the high resolution of the simulator is the management and handling of large amounts of data. In order to achieve acceptable simulation speeds, special attention must be paid to the programming methodology. Finally, it will be necessary to create a user interface for easy later use. In this interface, the input data that the simulator must receive and the results of interest for the user and specific study will be selected. The methodology that will be used is based on a first phase of specifications analysis, algorithm separation in subsystems, global development and verification of partial systems. For these last two stages, a SCRUM methodology based on short-term Sprints will be used to review them and ensure that the specifications of the platform adapt to the needs of Smart Grid projects to which it is intended. The project is addressed due to the lack of similar alternatives in the market for the correct investigation in the emerging world of Smart Grids based on the internet of things (IoT) and the sustainability of the growing energy demand, as well as the rejection to traditional energy sources to ensure the durability of the current quality of life in the future.

En el creciente marco de desarrollo de las redes de suministro eléctrico inteligentes, conocidas como Smart Grids, Ampere Energy se ha postulado como un actor principal. Para su estudio y desarrollo de un proyecto de investigación relacionado con las Virtual Power Plants, resulta necesaria una plataforma de simulación de estos sistemas. En esta propuesta de Trabajo de Fin de Máster (TFM) se pretende abordar por completo el desarrollo de la misma. Desde la identificación de los subsistemas hasta la validación de los datos resultantes, pasando por el modelado y la implementación de estos. El desarrollo del mismo se realizará en LabVIEW, software de desarrollo de National Instruments, de referencia en el mundo de la industria de la automática. El núcleo central del TFM será un algoritmo de simulación del comportamiento de instalaciones fotovoltaicas con acumulación con una alta resolución. La inmensa mayoría de alternativas se centran en realizar simulaciones horarias o cuartohorarias, no obstante, en este TFM se desarrollarán herramientas para trabajar en el orden de los segundos. Esto supone diferentes problemáticas asociadas. En primer lugar, será necesario un preelaborado de los datos de consumo y producción fotovoltaica ya que es sumamente difícil disponer de este tipo de datos con una tan alta granularidad. Principalmente, estos datos se encuentran agregados a resoluciones horarias ya que son los datos más relevantes para la facturación de la energía eléctrica en España. El TFM incluye el estudio y desarrollo de una herramienta que salve este problema. Posteriormente, se deberá afrontar la identificación y el modelado de los subsistemas que conforman una instalación fotovoltaica con acumulación. Por ejemplo, el comportamiento de las placas fotovoltaicas, del inversor o inversores que disponga la instalación o de la batería de acumulación. En este punto, será necesario conocer en detalle el funcionamiento especial de los sistemas Ampere Energy para la correcta identificación de las funciones de transferencia de estos elementos. La siguiente problemática reseñable asociada a la alta resolución del simulador es la gestión y el manejo de grandes cantidades de datos. Para llegar a lograr velocidades de simulación aceptables se debe prestar especial atención a la metodología de programación utilizada para que esto no suponga un problema. Finalmente, será necesario la elaboración de una interfaz de usuario para su fácil utilización posterior. En esta interfaz, se seleccionarán los datos de partida que el simulador debe recibir y los datos de interés para el usuario y estudio concreto. La metodología que se empleará se basa en una primera fase de análisis de especificaciones, separación del algoritmo en subsistemas, el desarrollo global y la verificación de los sistemas parciales. Para estas dos últimas etapas se seguirá una metodología SCRUM planteada a base de Sprints de corto alcance y duración para la revisión de éstos y asegurar constantemente que las especificaciones de la plataforma se adecúan con las necesidades de los proyectos de Smart Grid a los que está destinado. El proyecto se aborda debido a la falta de alternativas similares en el mercado para la correcta investigación en el incipiente mundo de las Smart Grids basado en el internet de las cosas y la sostenibilidad de la creciente demanda energética, así como el rechazo a las fuentes de energía tradicionales para asegurar la continuidad de la actual calidad de vida en el futuro.