Dentro de las micro-redes aisladas es posible identificar diferentes topologías de diseño y construcción, en este trabajo se estableció que la topología seleccionada debe cumplir con las siguientes características: 1) La fuente principal de alimentación de la micro-red debe ser una fuente de generación alternativa. 2) Integrar un sistema de acumulación de energía que asegure la autonomía de la micro-red. 3) Incluir una batería que represente un VE como carga o fuente de energía de respaldo de la micro-red. 4) Suministrar energía a las cargas en corriente alterna. Además, se deben acondicionar los diferentes niveles de tensión DC para el correcto funcionamiento de los elementos de la micro-red.

La topología que cumple con las condiciones descritas se presenta en la Fig. 1. Dentro de sus características principales se encuentran el uso de un panel fotovoltaico como fuente principal de generación; dos niveles de tensión DC impuestos por el conjunto regulador batería FV, VE, y tensión de operación del inversor; un nivel de tensión AC donde se conectan todas las cargas. Además, permite el uso del VE como fuente de respaldo al suministrar la energía de la batería del VE al barraje.

Fig. 1. Fig. 1. Topología de la Micro-red. Fuente: autores.

En el diseño de sistemas soportados por energía solar, es necesario conocer la demanda de energía a la cual se va a someter la instalación, así como los hábitos de consumo para determinar la naturaleza de las cargas, su nivel de tensión, número de artefactos y energía consumida por cada uno de ellos.

Existen diferentes trabajos de índole académico [10], [11], [12], corporativo [13] y gubernamental [14], [15], [16], que han planteado estrategias para determinar el comportamiento de la demanda de energía eléctrica a nivel residencial e incluso han evaluado la influencia de los diferentes electrodomésticos en el consumo específico de los usuarios. Los resultados de estos trabajos permitieron identificar algunos de los dispositivos eléctricos de mayor relevancia en el hogar y la importancia que les dan los usuarios a dichos dispositivos. Sin embargo, con el fin de ampliar esta información los autores realizaron una encuesta en la cual se indagó qué artefactos o electrodomésticos deberían incluirse dentro de una vivienda de nivel socioeconómico medio – alto (estrato 4 en Colombia), y cuál es su tiempo de uso, lo cual permitió determinar las cargas conectadas a la micro-red.

Esta encuesta fue realizada siguiendo el procedimiento propuesto en [17] a una muestra de 85 usuarios, con un intervalo de confianza del 90 % y un error del 5 %. Como resultado del proceso, se identificaron los principales electrodomésticos y las diferentes horas del día en que son usados. Posteriormente, se seleccionaron los 9 artefactos de mayor relevancia y se adicionó un circuito para alimentar el vehículo eléctrico, para conformar 20 circuitos en la vivienda con una potencia total de 6039 W (Tabla 1).

Tabla 1. Tabla 1. Potencia real y escalada de los electrodomésticos seleccionados.

Dispositivo	Potencia unitaria (W)	Cant.	Potencia total (W)	Potencia escalada (W)
Luminaria comedor	40	2	80	1,98
Luminaria sala	40	2	80	1,98
Luminaria pasillo	35	1	35	0,86
Luminaria cocina	35	1	35	0,86
Luminaria dormitorio P	35	2	70	1,73
Luminaria dormitorio A	35	1	35	0,86
Luminaria estudio	40	2	80	1,98
Luminaria baño	40	1	40	0,99
Televisor sala	62	1	62	1,53
Televisor principal	62	1	62	1,53
Equipo de sonido	120	1	120	2,97
Consola videojuegos	60	1	60	1,48
Nevera	300	1	300	7,49
Lavadora	800	1	800	19,86
Computador 1	90	1	90	2,23
Computador 2	90	1	90	2,23
Microondas	700	1	700	17,38
Secador de pelo	800	1	800	19,84
Circuito especial 1	600	1	600	14,89
Vehículo eléctrico	1900	1	1900	47,17
		Total	6039	150

Fuente: autores.

Para poder representar la potencia demandada de la micro-red en el emulador, es necesario realizar un escalamiento de la misma. El factor de escala se determina a partir de la potencia máxima del inversor, (150 W). Por lo tanto, 150 W en el emulador equivalen a 6039 W reales o lo que es igual, 1 W real corresponde a 24,83 mW en el emulador de la micro-red.

Para establecer el valor de potencia escalada y el correspondiente factor de escala, no se tuvo en cuenta el factor de demanda empleado en instalaciones eléctricas de acuerdo con lo establecido en la norma NTC 2050 [18] y que se define como la relación entre la máxima demanda y la carga total instalada, es decir, es un indicador del grado de simultaneidad de la carga conectada. Este factor no se tuvo en consideración dentro de los valores de la Tabla 1, ya que el emulador a baja escala desarrollado tiene fines académicos, por lo que dentro de las pruebas que se pueden llevar a cabo es posible que se conecten y alimenten de manera simultánea todas las cargas, lo que pondría en riesgo la instalación o llevaría a que actuaran las protecciones, por lo que el diseño se llevó a cabo previendo la condición crítica.

Para obtener un modelo de micro-red basado en características de operación de equipos reales, el dimensionamiento del emulador se llevó a cabo con dispositivos comúnmente encontrados en el mercado, además en esta investigación se contaba con una fuente con capacidad nominal de 760 W, que permite realizar barridos de tensión entre 0 y 80 V, y adicionalmente permite controlar la corriente en un rango entre 0 y 9,5 A.

Con estos datos se buscó un panel fotovoltaico con corriente de corto circuito cercana a los 9,5 A y que además, bajo condiciones nominales de operación, sea capaz de suministrar la potencia máxima escalada demandada por un usuario, así como las posibles pérdidas que se presentan durante la transformación de energía. Por lo tanto, se seleccionó un panel con las características que se presentan en la Tabla 2

Tabla 2. Tabla 2. Características del panel seleccionado.

Característica	Valor
Máxima potencia	150 Wp
Tensión en circuito abierto	22,8 V
Tensión MPP	18,4 V
Corriente en corto circuito	8,85 A
Corriente MPP	8,37 A

Fuente: autores.

Este dispositivo permite realizar la conexión entre el grupo generador (panel - batería FV) y el resto del sistema. Además de tener en cuenta las condiciones climáticas, para extraer la máxima potencia de un panel FV, el sistema de conversión de energía se debe llevar al Máximo Punto de Potencia (MPP). Para el caso del convertidor DC/DC, el regulador ajusta la Ri del panel FV para que sea igual a la R_MPP [19]. La Tabla 3 presenta una comparación entre algunos convertidores que podrían realizar la función de regulador de carga.

Tabla 3. Tabla 3. Comparación de convertidores.

CONVERTIDOR	Buck-Boost	Cuk	Positive Buck-Boost	SEPIC
Polaridad tensión de salida	Invertida	Invertida	Sin invertir	Sin invertir
Corriente de entrada	Pulsante	No pulsante	Dependiente del modo de operación	Pulsante
Switch Drive	Flotante	Flotante	Flotante y aterrizado	Aterrizado
Eficiencia	Baja	Media	Alta en el estado activo	Media
Costo	Medio por el controlador flotante	Medio por el capacitor adicional	Alto por el interruptor adicional y el controlador de interruptor	Medio por el capacitor adicional

Fuente: autores.

Se seleccionó el convertidor SEPIC como regulador de carga, ya que permite conectar el dispositivo de conmutación sólidamente a tierra, no invierte la tensión de salida, es posible aprovechar al máximo la energía disponible y salir del punto de máxima potencia. En la Fig. 2 se muestra la topología del regulador de carga.

Fig. 2. Fig. 2. Topología del regulador de carga. Fuente: autores.

Donde la Potencia máxima de salida (P_{O_MAX}) y la potencia nominal de entrada (P_IN) son 150 W, la tensión de salida (VO) es de 12 V. La tensión de entrada (V_IN = 18,4 V) depende de la tensión en máxima potencia del módulo solar (V_MP). La tensión de entrada máxima (V_OC del módulo solar) es 22,8 V y la tensión de entrada mínima es 10 V. A partir de estos parámetros se tiene un ciclo útil (D) de 0,56, corriente de salida I_O = 12,5 A, la corriente de entrada se definió de acuerdo con la máxima corriente de salida de la fuente Agilent I_IN = 9,5 A, resistencia de carga mínima R_{LOAD_MIN} = 0,96Ω, L₁ = L₂ = 98,28 µH, C₁ = C₂ = 466,66 µF.

Para poder proporcionar autonomía a la micro-red aislada, en caso de presentarse baja irradiancia, se incluyó un banco de baterías capaz de suplir la demanda energética del usuario. Inicialmente, se debe definir el tiempo en el que el prototipo emulará un día de operación, el cual en este caso se estableció en 1,6 horas, es decir, que 4 minutos del emulador representan una hora de consumo (TO = 1,6 h). El criterio para la selección de este tiempo fue la facilidad de realizar pruebas equivalentes a un día en menos de 2 horas, esto con el fin de que el prototipo desarrollado, además de emplearse en actividades de investigación, también se pueda emplear en algunas prácticas en espacios académicos de maestría, por lo que tener tiempos de operación más prolongados limitaría el número de prácticas que se pueden realizar; además, un mayor tiempo de operación hace que se requieran sistemas de almacenamiento de mayor capacidad, lo cual va en contra del objetivo de que el emulador sea portátil y modular.

La capacidad nominal del sistema (CNS) se calcula de la siguiente manera (1) y (2):

(1)

(2)

Teniendo en cuenta la profundidad de la descarga de cada una de las baterías es necesario aplicar un factor de corrección, el cual está determinado por (3):

(3)

En este caso, se seleccionó una batería de Plomo-Ácido de 12 V y una capacidad de 7 Ah, la cual cumple con las características de diseño previamente señaladas. Para adecuar el nivel de tensión de las baterías del sistema FV al nivel de operación del inversor se utiliza un convertidor Boost. En la Fig. 3 se observa la topología.

Fig. 3. Fig. 3. Topología del Convertidor Boost del sistema FV. Fuente: autores.

En donde V_IN = 12 V es la tensión de entrada, V_O = 24 V es la tensión de salida, P_O = 150 W es la potencia de salida y F_C = 20 kHz corresponde a la frecuencia de conmutación del convertidor. A partir de estos parámetros se tiene un ciclo útil (D) de 0,5, resistencia de carga R = 3,84 Ω , L_MIN = 15 µH, C = 651 µF, porcentaje de rizado = 1%, I_L = 8,68 A, I_{L_MAX} = 16,6 A, I_{L_MIN} = 0,6 A.

Emula el comportamiento de la demanda eléctrica de la vivienda a partir del encendido y apagado de las 20 cargas resistivas que representan los 20 circuitos presentados en la Tabla 1. Este módulo permite realizar el cierre y la apertura de circuitos a partir de las señales emitidas por un microcontrolador, por tanto, puede emular una curva de demanda a partir de parámetros programados o manuales. Con el fin de emular el comportamiento de un sistema de generación y consumo aislado a partir de fuentes no convencionales de energía, en este artículo se empleó el módulo de carga programando un perfil de demanda preestablecido, como se observa en la sección 3.3.

Las cargas del emulador reciben la orden de conexión o desconexión a partir del sistema de gestión de energía, que habilita o deshabilita el uso de dichas cargas de acuerdo con los criterios descritos en la sección 3.2. (etapa azul de la Fig. 4).

Fig. 4.

Etapa azul: control y disparo. Etapa naranja: potencia .

La micro-red propuesta facilita la integración de la tecnología V2G, mediante la cual se puede recargar la batería del VE y además contar con ella como fuente de suministro de energía para el sistema [20], [21]. La Fig. 5 muestra las curvas características de tensión y corriente correspondiente a la recarga de las baterías de algunos de los VE más representativos en el mercado [22]. El objetivo de la batería que se emplee en el emulador, es reproducir el comportamiento de las baterías reales usadas en VE, pero manteniendo los niveles de tensión y corriente dentro de los rangos establecidos para el emulador. En este sentido, empleando el software PSIM se simula el modelo de batería disponible en el paquete Matlab – Simulink, para una batería de 12 V y 7 Ah (Fig. 6).

Fig. 5. Fig. 5. Característica de recarga de algunos VE Comerciales, a. Tensión, b. Corriente. Fuente: adaptada de [22].

Fig. 6. Fig. 6. Características de recarga de la batería para emular el VE. (a) Tensión, (b) Corriente. Fuente: autores.

Comparando las características de la recarga de las baterías de los VE de la Fig. 5 y la batería a emular (Fig. 6), se observa que la batería de menor capacidad y menor tensión seleccionada reproduce adecuadamente el comportamiento de las baterías de los VE, con una tensión casi constante y la caída exponencial de la corriente durante la recarga, por supuesto en un tiempo mucho menor, lo cual es uno de los principios de funcionamiento del emulador.

Cuando el vehículo está en el modo en el cual suministra energía a la micro-red, se emplea un convertidor Boost (Fig. 3) para entregar la energía al barraje DC correspondiente, en donde V_IN = 13,5 – 11 V es la tensión de entrada, V_O = 25 V es la tensión de salida, P_O = 23 – 15 W es la potencia de salida y F_C = 20 kHz corresponde a la frecuencia de conmutación del convertidor. A partir de estos parámetros se tiene un ciclo útil (D) de 0,52, resistencia de carga R = 41,66 Ω, L_MIN = 150 µH, C = 220 µF, porcentaje de rizado = 1%, I_{L_MAX} = 16,6 A, I_{L_MIN} = 0,6 A.

En el modo carga, y con el fin de representar la demanda de la recarga de la batería, se desarrolló un cargador cuyas características son: potencia máxima: 44,5 W, tensión: 13,5 V, corriente máxima: 3,3 A.

Con el fin de facilitar la construcción del emulador y brindarle mayor flexibilidad, es posible agrupar los elementos que lo conforman en tres secciones (Fig. 7). El módulo principal corresponde a la MR. Este es el núcleo del sistema, allí se recibe energía de las fuentes y se transfiere a las cargas.

Fig. 7. Fig. 7. Topología completa del emulador de la micro-red. Fuente: autores.

El emulador desarrollado opera de manera aislada a la red de distribución (Fig. 7), por lo que se requiere de un sistema que gestione la energía dentro de la micro-red. Para poder lograr esto, inicialmente se identificaron las principales cargas de la vivienda y se clasificaron de acuerdo con la importancia que le dan los usuarios dentro del hogar (Tabla 4).

Tabla 4. Tabla 4. Distribución de Cargas Según Prioridad.

Artefacto	Prioridad
Circuito especial 1	Alta
Nevera	Alta
Computador 1	Media
Luminaria cocina	Media
Luminaria alcoba principal	Media
Luminaria baño	Media
Luminaria comedor	Media
Vehículo eléctrico	Media
Televisor sala	Media
Luminaria sala	Baja
Luminaria pasillo	Baja
Luminaria estudio	Baja
Computador 2	Baja
Microondas	Baja
Lavadora	Baja
Televisor alcoba	Baja
Equipo de sonido	Baja
Video juegos	Baja
Luminaria alcoba auxiliar	Baja
Secador de pelo	Baja

Fuente: autores.

Esta información fue recopilada a partir de la encuesta realizada por los autores, en donde se le suministró al encuestado un listado de los dispositivos que se encuentran usualmente en una vivienda y se les preguntó cuál o cuáles priorizarían para el suministro de energía en caso de presentarse racionamiento de la misma. Como resultado se obtuvo una clasificación de 11 cargas de prioridad baja (C_B), 7 de prioridad media (C_M) y 2 de prioridad alta (C_A), como lo muestra la Tabla 4.

En la Fig. 8 se muestra el diagrama de flujo del sistema de gestión energética de la micro-red, el cual fue implementado en un microcontrolador PIC 18F2550.

Fig. 8. Fig. 8. Diagrama de flujo del sistema de gestión de la micro-red. Fuente: autores.

El primer paso (valores iniciales) es establecer los niveles de tensión de las baterías del sistema FV (V_FV) y del VE (V_VE), a partir de los cuales el sistema debe suministrar energía de manera continua a las cargas, sin que se produzcan descargas profundas y sin que se comprometa la función principal del VE, que es la movilidad. Los valores seleccionados son 10,8 V para la batería del sistema FV y 11 V para el VE. Para determinar estos valores, se partió del supuesto de que el estado de carga de la batería (SOC) y la tensión en bornes de la batería son directamente proporcionales, por lo cual se realizó una caracterización de las baterías del emulador, y a partir del modelo Thevenin de la batería se determinaron los valores de tensión para los cuales se tienen niveles de carga por encima del 30 % – 40 %. Si bien, varios autores han establecido que el comportamiento de la batería es dinámico y la relación entre SOC y tensión no es lineal, también se ha identificado que para valores del SOC por encima del establecido la aproximación lineal arroja resultados aceptables para el análisis que se desea abordar en este artículo [23].

Inicialmente, el sistema de gestión evalúa V_FV, y si es mayor a 10,8 V habilita todas las cargas y desactiva el VE como fuente de respaldo. Cuando el nivel de tensión cae por debajo de 10,8 V se inicia un deslastre progresivo de las cargas de baja (C_B) y media (C_M) prioridad. Esta lógica se repite hasta que se cumpla con la condición establecida para V_FV. Cuando las condiciones de la batería FV determinan que es necesario el deslastre de todas las cargas de baja y media prioridad (los contadores B y M = 0), el sistema de gestión puede habilitar el VE como fuente de generación, para esto el sistema sensa V_VE, si es mayor a 11 V la habilita como fuente de respaldo para alimentar las cargas de alta prioridad (C_A). Cuando la tensión cae por debajo de 11 V el sistema deslastra las cargas de alta prioridad.

Finalmente, cuando las condiciones de irradiancia mejoran y la batería del sistema FV alcanza una tensión de 12,5 V, el sistema de gestión vuelve a activar las cargas deslastradas, deshabilitando el VE como fuente de respaldo.

Para verificar el funcionamiento del emulador de la micro-red y del sistema de gestión, se realizaron tres pruebas bajo diferentes condiciones de generación, y con la curva de demanda de un día, la cual se determinó a partir de la encuesta realizada por los autores y se programó en el módulo de carga del emulador (Fig. 9).

Fig. 9. Fig. 9. Potencia demandada estimada construida a partir de la encuesta. Fuente: autores.

A continuación, se presentan los resultados medidos en el emulador: potencia generada y potencia demandada medida y se comparan con la potencia demandada estimada de la Fig. 9. Además, se presenta la potencia desarrollada por cada dispositivo del emulador.

Prueba 1. En esta prueba se representó el comportamiento del sistema entre las 18:00 h y las 17:59 h del día siguiente, es decir, que al inicio las condiciones de irradiancia eran nulas (Fig. 10).

Fig. 10. Fig. 10. Potencia demandada estimada (línea punteada) y medida (línea continua), y tensión en el barraje de 12 V (línea discontinua) – Prueba 1. Fuente: autores.

La línea punteada corresponde a la demanda estimada, mientras que la línea continua corresponde a la demanda medida. La línea discontinua es la tensión en el barraje de 12 V. La variación observada a las 18:00 h se debe a un deslastre de cargas CB para estabilizar el nivel de tensión V_FV.

Entre las 06:00 h y las 17:00 h hay una elevación en la tensión en el barraje de 12 V, a causa de la energía disponible en el sistema FV. En este caso se evidenció el deslastre de carga a partir de la priorización de los circuitos de la vivienda; además, el sistema de gestión reconecta las cargas deslastradas cuando V_FV = 12,5 V, lo cual ocurrió después de las 07:00 h, como se observa en la Fig. 11.

Fig. 11.

Línea con marcadores (potencia salida SEPIC), línea punteada (potencia batería FV), línea continua (potencia demandada medida).

En la literatura es posible encontrar diferentes artículos enfocados a emuladores de micro-redes en diferentes contextos. En [24] se presenta una adecuada revisión y clasificación de los diferentes emuladores de micro-redes eléctricas, según los autores es posible clasificar un emulador de micro-red en uno de los cuatro niveles propuestos, el primer nivel dado a aquellos sistemas que permiten una emulación global; el segundo nivel en donde se contempla una emulación particular para la agregación de cargas, sistemas de almacenamiento y generación; un tercer nivel, en el que se contempla la emulación del recurso; y un cuarto nivel, enfocado a la emulación específica de los componentes, siendo en este nivel en el que se encuentra el emulador que se aborda en el presente artículo. El emulador propuesto emula el recurso fotovoltaico, la tecnología V2G, así como su interacción con la carga y el sistema de almacenamiento. También presenta desde el punto de vista del hardware los diferentes equipos convertidores (Boost, SEPIC e Inversor) con la posibilidad de ser reprogramados para cambiar sus controladores y sus puntos de operación dentro de ciertos rangos permitidos.

Teniendo en cuenta lo anterior, es posible comparar el emulador propuesto con emuladores pertenecientes al mismo nivel. En [25] se propone la construcción de tres emuladores a escala (100 W), cada un conformado por un panel fotovoltaico y una batería como sistema de almacenamiento, la idea del artículo es poder desarrollar diferentes algoritmos de gestión e interacción entre los emuladores. La comunicación entre ellos se lleva a cabo a través de TCP/IP. En [26] se presenta un emulador de una micro-red aislada basada en tres sistemas de generación (geotermia, biogas y fotovoltaico) y su sistema de almacenamiento, el artículo se orienta a dos premisas: la primera al control primario de los equipos (control Droop); y la segunda a la gestión, buscando ante todo igualar la generación con el consumo de la carga y conservar el SOC de la batería.

Aunque los artículos anteriormente presentados realizan grandes aportes desde el punto de vista del desarrollo de los emuladores de las micro-redes, el presente artículo presenta la gran ventaja de incorporar la tecnología V2G y hacer un proceso de emulación en todo el contexto de operación de dicha tecnología (generador-carga), lo que permite explorar nuevos algoritmos de gestión como el propuesto. Adicionalmente, y como se mencionó en párrafos anteriores, el haber desarrollado los diferentes equipos convertidores, permite ajustarlos de manera individual y proponer nuevos esquemas de control de forma particular y de gestión en todo el contexto de la micro-red, la cual tiene un enfoque claramente domiciliario.

Por otra parte, las pruebas realizadas muestran que la respuesta del sistema depende directamente del SOC de las baterías y de la hora en la que comienzan las pruebas. Esto se observó cuando se emuló una irradiancia desfavorable y aun así el sistema solo presentó una interrupción, esto debido a que la batería empleada se encontraba plenamente cargada.

El emulador desarrollado reproduce el comportamiento real de una micro-red residencial. En este sentido los hábitos de consumo del usuario se afectan cuando no se cuenta con un sistema de gestión que lleve a cabo un deslastre de carga y habilite fuentes de respaldo para el suministro de energía.

Adicionalmente, es importante adelantar cambios en los hábitos de consumo para suplir la demanda de cargas que tienen un impacto alto en la curva de demanda, en los periodos donde hay un buen recurso solar, dejando energía disponible para alimentar otras cargas en las horas pico.