Estrategia de control para micro-redes de CC en aplicaciones de bomba de calor con integración de energías renovables
Autores: Nzoundja Fapi, Claude Bertin; Touré, Mohamed Lamine; Camara, Mamadou-Baïlo; Dakyo, Brayima
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Estrategia de control para micro-redes de CC en aplicaciones de bomba de calor con integración de energías renovables
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Palabras clave
Micro-redes
Energía renovable
Gestión energética
Bomba de calor
Estrategia de control
Fotovoltaica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 37
Citaciones: Sin citaciones
Las micro-redes de CC están surgiendo como una solución prometedora para integrar eficientemente la energía renovable en los sistemas eléctricos. Estos sistemas ofrecen una mayor flexibilidad y una gestión energética mejorada, lo que los hace ideales para aplicaciones como sistemas de bomba de calor (HP). Sin embargo, la integración de fuentes de energía renovable intermitentes con una gestión energética óptima en estas micro-redes plantea desafíos significativos. Este documento propone una estrategia de control novedosa diseñada específicamente para mejorar el rendimiento de las micro-redes de CC. La estrategia mejora la gestión energética aprovechando un perfil de misión ambiental que incluye mediciones en tiempo real para la generación de energía y la evaluación del rendimiento de la bomba de calor. Esta aplicación de micro-red para bombas de calor integra sistemas fotovoltaicos (PV), generadores eólicos (WGs), convertidores CC-CC y sistemas de almacenamiento de energía de baterías (BS). La estrategia de control propuesta emplea un enfoque inteligente de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) que utiliza algoritmos de optimización para ajustar finamente las interacciones entre los subsistemas, incluidas las fuentes de energía renovable, las baterías de almacenamiento y la carga (bomba de calor). El objetivo principal de esta estrategia es maximizar la producción de energía, mejorar la estabilidad del sistema y reducir los costos operativos. Para lograr esto, considera factores como la demanda de calefacción y refrigeración, las fluctuaciones de potencia de las fuentes renovables y los requisitos de MPPT del sistema fotovoltaico. Las simulaciones durante un año, basadas en datos meteorológicos reales (irradiancia promedio de 500 W/m, velocidad anual promedio del viento de 5 m/s, temperaturas entre 2 y 27 grados Celsius), y realizadas con Matlab/Simulink R2022a, han demostrado que la estrategia de control predictivo basado en modelo (MPC) propuesta mejora significativamente el rendimiento de las micro-redes de CC, especialmente para aplicaciones de bombas de calor. Esta estrategia garantiza un voltaje estable del bus de CC (+/-1% alrededor de 500 V) y mantiene el estado de carga (SoC) de las baterías entre 40% y 78%, extendiendo su vida útil en un 20%. En comparación con los métodos convencionales, mejora la eficiencia energética en un 15%, reduce los costos operativos en un 30% y reduce las emisiones de CO2 en un 25%. Al incorporar esta estrategia de control, las micro-redes de CC ofrecen una solución sostenible y confiable para aplicaciones de bombas de calor, contribuyendo a la transición hacia un sistema energético más limpio y resiliente. Este enfoque también abre nuevas posibilidades para la integración de energía renovable en las redes eléctricas, proporcionando una gestión energética inteligente y eficiente a nivel local.
Descripción
Las micro-redes de CC están surgiendo como una solución prometedora para integrar eficientemente la energía renovable en los sistemas eléctricos. Estos sistemas ofrecen una mayor flexibilidad y una gestión energética mejorada, lo que los hace ideales para aplicaciones como sistemas de bomba de calor (HP). Sin embargo, la integración de fuentes de energía renovable intermitentes con una gestión energética óptima en estas micro-redes plantea desafíos significativos. Este documento propone una estrategia de control novedosa diseñada específicamente para mejorar el rendimiento de las micro-redes de CC. La estrategia mejora la gestión energética aprovechando un perfil de misión ambiental que incluye mediciones en tiempo real para la generación de energía y la evaluación del rendimiento de la bomba de calor. Esta aplicación de micro-red para bombas de calor integra sistemas fotovoltaicos (PV), generadores eólicos (WGs), convertidores CC-CC y sistemas de almacenamiento de energía de baterías (BS). La estrategia de control propuesta emplea un enfoque inteligente de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) que utiliza algoritmos de optimización para ajustar finamente las interacciones entre los subsistemas, incluidas las fuentes de energía renovable, las baterías de almacenamiento y la carga (bomba de calor). El objetivo principal de esta estrategia es maximizar la producción de energía, mejorar la estabilidad del sistema y reducir los costos operativos. Para lograr esto, considera factores como la demanda de calefacción y refrigeración, las fluctuaciones de potencia de las fuentes renovables y los requisitos de MPPT del sistema fotovoltaico. Las simulaciones durante un año, basadas en datos meteorológicos reales (irradiancia promedio de 500 W/m, velocidad anual promedio del viento de 5 m/s, temperaturas entre 2 y 27 grados Celsius), y realizadas con Matlab/Simulink R2022a, han demostrado que la estrategia de control predictivo basado en modelo (MPC) propuesta mejora significativamente el rendimiento de las micro-redes de CC, especialmente para aplicaciones de bombas de calor. Esta estrategia garantiza un voltaje estable del bus de CC (+/-1% alrededor de 500 V) y mantiene el estado de carga (SoC) de las baterías entre 40% y 78%, extendiendo su vida útil en un 20%. En comparación con los métodos convencionales, mejora la eficiencia energética en un 15%, reduce los costos operativos en un 30% y reduce las emisiones de CO2 en un 25%. Al incorporar esta estrategia de control, las micro-redes de CC ofrecen una solución sostenible y confiable para aplicaciones de bombas de calor, contribuyendo a la transición hacia un sistema energético más limpio y resiliente. Este enfoque también abre nuevas posibilidades para la integración de energía renovable en las redes eléctricas, proporcionando una gestión energética inteligente y eficiente a nivel local.