Name: Investigación experimental del control jerárquico en microrredes de corriente continua utilizando un simulador en tiempo real (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-02-14T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 4 s
Description: Aprende a implementar control jerárquico en microrredes DC usando OPAL RT-Lab. Este protocolo valida experimentalmente estrategias de control primario y secundario, cerrando la brecha entre simulación y aplicación práctica en entornos dinámicos.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

En esta sección, describimos los métodos utilizados para desarrollar y experimentar con una microrred de CC que incorpora el control jerárquico que se muestra en la Figura 1, implementado en OPAL RT-Lab (en lo sucesivo, "simulador"). El protocolo se divide en tres secciones principales: Configuración física y modelado de circuitos, Implementación de la estrategia de control y Configuración experimental del simulador. Cabe señalar que este protocolo no cubre la estrategia de control terciario, que implica una optimización de alto nivel y la interacción con la red eléctrica principal, está más allá del alcance de nuestra configuración experimental actual y se deja para trabajos futuros.
1. Configuración física y modelado de circuitos
<ol>
	<li>Topología eléctrica del sistema NOTA: Teniendo en cuenta la arquitectura del circuito del sistema de microrred de CC, procedemos con la construcción de la plataforma experimental de hardware a través de los siguientes pasos.<ol>
		<li>Construcción de un DER individual<ol>
			<li>Conecte el polo positivo de la corriente continua a través de un cable al polo positivo de entrada del circuito reductor, mientras conecta simultáneamente los polos negativos correspondientes; el convertidor específico se muestra en la Figura 2A. Construir un modelo matemático para el convertidor reductor para facilitar el diseño de parámetros de control para simulaciones posteriores y configuraciones experimentales. Para un convertidor reductor típico como se muestra en la Figura 3, construya sus ecuaciones de espacio de estados utilizando el método de promedio de espacio de estados de la siguiente manera5: 
			<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq1.jpg">     (1) Donde IL, VC son la corriente del inductor y el voltaje de salida, respectivamente; R, L, C son los parámetros de los componentes en el circuito convertidor; Vin representa el voltaje de CC de entrada; y d representa el ciclo de trabajo del convertidor CC-CC. Transforme la ecuación ( 1) en la siguiente forma de función de transferencia, que es más conveniente para el diseño de un controlador PI. 
			<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq2.jpg"> 
			<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/67464/67464eq3.jpg">     (2) Donde s representa el operador de Laplace; GId(s) es la función de transferencia de la relación de trabajo a la corriente; y GVI(s) es la función de transferencia de corriente a voltaje.</li>
			<li>Construcción de microrredes mediante múltiples DER<ol>
				<li>Repita el proceso de construcción de DER individuales como se describió anteriormente. Con múltiples DER en su lugar, conecte los terminales de salida positivo y negativo correspondientes de cada circuito reductor.</li>
				<li>Para simular la impedancia de línea, inserte pequeñas resistencias en serie entre los polos positivos de cada DER.</li>
			</ol>
			</li>
			<li>Integración de carga<ol>
				<li>Utilice resistencias para simular cargas comunes en microrredes de CC. Para cargas globales, conecte directamente los terminales de la resistencia a los puntos de confluencia de los polos positivo y negativo de todos los DER. Cuando la impedancia de línea está presente, conecte las resistencias en la salida de cada circuito reductor para simular las cargas locales, como se muestra en la Figura 2D. NOTA: En este experimento, las conexiones de circuitos se implementan mediante conectores enchufables como se ilustra en la Figura 2C.</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Diseño y configuración de circuitos de hardware NOTA: La configuración de hardware de la plataforma experimental de microrredes de CC, correspondiente a la topología de la Figura 1, consta principalmente de los siguientes pasos:<ol>
		<li>Configuración de la fuente de alimentación de CC<ol>
			<li>Active la fuente de alimentación pulsando el botón de encendido.</li>
			<li>Ajuste el voltaje al valor especificado con la perilla. Esta fuente de alimentación es una fuente de CC de voltaje constante con un rango de salida de [0 - 300 V] y una potencia máxima de 600 W. Inicie la fuente de alimentación al comienzo del experimento presionando el interruptor. La fuente de alimentación utilizada en este experimento se muestra en la Figura 2B.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Configuración del convertidor reductor CC-CC<ol>
			<li>Dirija las señales de entrada y salida del convertidor a una placa de conversión de señal y conéctelas al controlador de hardware del simulador a través de cables de señal. NOTA: Esta configuración permite la salida de señales de corriente y voltaje en forma analógica y la transmisión de señales PWM desde el controlador para impulsar el convertidor a nivel de circuito.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Verificación de conexiones de bus y carga<ol>
			<li>Asegúrese de que este paso se alinee con el paso 1.1.3. Inspeccione todas las conexiones para verificar su precisión y seguridad.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Implementación de la estrategia de control
<ol>
	<li>2.1.Configuración del control de caída<ol>
		<li>Construya el módulo de control de caída en el módulo de control dentro del simulador arrastrando y soltando componentes como bloques de ganancias y diferencias, como se muestra en la Figura 4.</li>
		<li>Haga doble clic en el módulo 'ganancia' y ajuste el coeficiente de caída según sea necesario.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Configuración de control PI de doble bucle<ol>
		<li>Construya el diagrama de bloques de control arrastrando y soltando componentes en el simulador (consulte la figura 5).</li>
		<li>Al seleccionar las ganancias de control PI, utilice el modelo de función de transferencia del convertidor reductor en la ecuación ( 2), siguiendo la secuencia de diseño del bucle interno (bucle de corriente) primero y luego el bucle exterior (bucle de voltaje). NOTA: Existe una compensación entre la respuesta dinámica rápida y la precisión de compartir energía en el esquema de control de doble bucle, ya que los ajustes rápidos de voltaje pueden comprometer la precisión de la distribución de energía entre los DER.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Construcción de topología de comunicación distribuida<ol>
		<li>Proporcione diferentes señales de entrada a los controladores de cada DER para implementar el control distribuido dentro del controlador del simulador centralizado. Por ejemplo, para DER 1, arrastre las señales de DER 2 y DER 4 a su módulo de control para habilitar la comunicación distribuida, como se muestra en la parte izquierda de la Figura 6 y en la Figura 7C.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Implementación de la estrategia de control secundario distribuido<ol>
		<li>Construya el diagrama de bloques de control secundario en el simulador basado en el control secundario basado en consenso, como se muestra en la figura 6. Ajuste la respuesta de control secundario modificando las ganancias de control.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Configuración experimental del simulador en tiempo real
NOTA: La configuración específica del experimento del simulador consta de cuatro pasos, como se ilustra en la Figura 8.
<ol>
	<li>Inicialización del modelo<ol>
		<li>Haga clic en el botón Editar para modificar el programa que se ejecuta en el simulador. A continuación, active el botón SET para completar la configuración de las propiedades de desarrollo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Compilación de modelos<ol>
		<li>Después de completar la edición del modelo, haga clic en el botón Compilar para compilar el modelo en código ejecutable.</li>
		<li>Supervise la ventana de compilación de software hasta que aparezca el mensaje 'Compilación exitosa'. Si se produce un error, localícelo en función de la solicitud y realice las correcciones necesarias</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Configuración de control en tiempo real del simulador<ol>
		<li>Una vez finalizado el proceso de compilación, configure los ajustes del código del programa, como el modo de simulación, el tipo de enlace de comunicación en tiempo real y otros parámetros relevantes.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Descarga y ejecución de programas<ol>
		<li>Descargue el programa ejecutable compilado en el hardware del controlador e inicie el experimento.</li>
		<li>Conecte las sondas de voltaje del osciloscopio a los terminales positivo y negativo de cada salida DER y sujete las sondas de corriente en los puertos de salida. Utilice la ventana del osciloscopio para observar la salida de cada DER en la microrred.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Bolsen, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framing+renewable+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Energy%22%5BJournal%5D)">Framing renewable energy.</a> Nat Energy. 7 (11), 1003-1004 (2022).</li>
<li>Dai, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+secondary+control+for+DC+microgrids+with+time-varying+communication+delays%3A+A+networked+predictive+control+scheme%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed secondary control for DC microgrids with time-varying communication delays: A networked predictive control scheme.</a> IEEE Trans Power Syst. 39 (2), 4459-4472 (2024).</li>
<li>Alzahrani, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+and+simulation+of+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Comput+Sci%22%5BJournal%5D)">Modeling and simulation of microgrid.</a> Procedia Comput Sci. 114, 392-400 (2017).</li>
<li>Naderi, E., Asrari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+validation+of+a+remedial+action+via+hardware-in-the-loop+system+against+cyberattacks+targeting+a+lab-scale+PV%2Fwind+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Smart+Grid%22%5BJournal%5D)">Experimental validation of a remedial action via hardware-in-the-loop system against cyberattacks targeting a lab-scale PV/wind microgrid.</a> IEEE Trans Smart Grid. 14 (5), 4060-4072 (2023).</li>
<li>Lei, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+twin+based+monitoring+and+control+for+DC-DC+converters%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Commun%22%5BJournal%5D)">Digital twin based monitoring and control for DC-DC converters.</a> Nat Commun. 14 (1), 5604(2023).</li>
<li>Alam, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planning+and+protection+of+DC+microgrid%3A+A+critical+review+on+recent+developments%5BTitle%5D)+AND+%22Eng+Sci+Technol+Int+J%22%5BJournal%5D)">Planning and protection of DC microgrid: A critical review on recent developments.</a> Eng Sci Technol Int J. 41, 101404(2023).</li>
<li>Yuan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+control+of+DC+microgrid+with+dynamical+load+power+sharing%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Energy%22%5BJournal%5D)">Hierarchical control of DC microgrid with dynamical load power sharing.</a> Appl Energy. 239, 1-11 (2019).</li>
<li>Krishnamurthy, S., Ogunwole, E. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgrid+system+design%2C+modeling%2C+and+simulation.+Modelling+and+Control+Dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Modelling+and+Control+Dynamics+in+Microgrid+Systems+with+Renewable+Energy+Resources%22%5BJournal%5D)">Microgrid system design, modeling, and simulation. Modelling and Control Dynamics.</a> Modelling and Control Dynamics in Microgrid Systems with Renewable Energy Resources. , 345-376 (2024).</li>
<li>Interoperability analysis of IEC61850 protocol using an emulated IED in a HIL microgrid testbed. Hemmati, M., et al. 2021 IEEE International Conference on Communications, Control, and Computing Technologies for Smart Grids (SmartGridComm), , 152-157 (2021).</li>
<li>Lai, J., Lu, X., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stochastic+distributed+frequency+and+load+sharing+control+for+microgrids+with+communication+delays%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Syst+J%22%5BJournal%5D)">Stochastic distributed frequency and load sharing control for microgrids with communication delays.</a> IEEE Syst J. 13 (4), 4269-4280 (2019).</li>
<li>Li, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+event-triggered+hierarchical+control+to+improve+economic+operation+of+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Distributed event-triggered hierarchical control to improve economic operation of hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 3653-3668 (2022).</li>
<li>Wang, J., Jin, C., Wang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+uniform+control+strategy+for+the+interlinking+converter+in+hierarchical+controlled+hybrid+AC%2FDC+microgrids%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">A uniform control strategy for the interlinking converter in hierarchical controlled hybrid AC/DC microgrids.</a> IEEE Trans Ind Electron. 65 (8), 6188-6197 (2018).</li>
<li>Zeng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+cooperative+control+strategy+for+battery+storage+system+in+islanded+DC+microgrid%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Power+Syst%22%5BJournal%5D)">Hierarchical cooperative control strategy for battery storage system in islanded DC microgrid.</a> IEEE Trans Power Syst. 37 (5), 4028-4039 (2022).</li>
<li>Guo, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+voltage+restoration+and+current+sharing+control+in+islanded+DC+microgrid+systems+without+continuous+communication%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans+Ind+Electron%22%5BJournal%5D)">Distributed voltage restoration and current sharing control in islanded DC microgrid systems without continuous communication.</a> IEEE Trans Ind Electron. 67 (4), 3043-3053 (2020).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>Fuente de alimentación de CC programable</td><td>ITECH</td><td>IT-M7700</td><td>Fuente de alimentación de CC</td></tr><tr><td>Simulador en tiempo real</td><td>OPAL RT-Lab</td><td>OP5707XG-16&nbsp;</td><td>Controlador en tiempo real</td></tr><tr><td>Osciloscopio</td><td>Tektronix</td><td>MSO58 5-BW-500&nbsp;</td><td>osciloscopio</td></tr><tr><td colspan="4">Componentes eléctricos como cables y resistencias</td></tr></tbody></table>

investigación experimental del control jerárquico en microrredes de corriente continua utilizando un simulador en tiempo real

Experimental Investigation of the Hierarchical Control in DC Microgrids Using a Real-time Simulator

La Figura 4 muestra el módulo de control de caída en el módulo de control construido dentro del simulador. El diseño detallado se basa en el siguiente mecanismo de caída:
El mecanismo de control de caída es una estrategia fundamental para el control primario descentralizado en microrredes de CC. Emula el comportamiento de los generadores síncronos en sistemas de CA para compartir cargas proporcional...

Investigación experimental del control jerárquico en microrredes de corriente continua utilizando un simulador en tiempo real

The rise of renewable energy sources has underscored the significance of microgrids, particularly DC variants, which are well-suited for integrating ...

experimental-investigation-hierarchical-control-dc-microgrids-using

Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

Este trabajo describe un sistema de experimentación en línea que proporciona experimentos visualizados, incluida la visualización de teorías, conceptos y fórmulas, visualizando el proceso experimental con plataformas de prueba virtuales tridimensionales (3-D) y visualizando el sistema de control y monitoreo utilizando widgets como gráficos y cámaras.

Sistema de experimentación en línea interactivo y visualizado para la educación e investigación en ingeniería

Este estudio describe un sistema de laboratorio de realidad virtual (VR) en línea basado en WebVR que proporciona a los usuarios capacidades de experimentación inmersiva e interactiva compatibles con dispositivos de realidad virtual. El sistema propuesto no solo ayuda a mejorar el realismo de la participación de los usuarios en los experimentos en línea, sino que también es aplicable a una amplia gama de marcos de laboratorio en línea.

Laboratorio de control en red de realidad virtual en línea aplicado en la educación en ingeniería de control 

Este artículo aborda el problema del aumento de temperatura de la unidad principal del anillo mediante el establecimiento de un modelo simplificado y la realización de un análisis comparativo en dos módulos de resolución de campo de temperatura.

Estudio comparativo de simulación de aumento de temperatura en la unidad principal del anillo

El diseño robusto dispositivo de franja de campos electrostáticos actuadores MEMS resultados en condiciones de amortiguación de compresión de película inherentemente bajos y largos tiempos de sedimentación cuando se realizan operaciones de conmutación que utilizan polarización paso convencional. Conmutación mejora el tiempo con formas de onda DC-dinámicos en tiempo real reduce el tiempo de establecimiento de franjas de campo MEMS actuadores de paso de una puesta al abajo y abajo-a-arriba...

Real-Time DC-dinámico Método de polarización de conmutación Tiempo Mejoras en Severamente Subamortiguado Fleco campo electrostático MEMS actuadores

Se presentan métodos experimentales para la investigación de procesos de enfriamiento en estado sólido y la caracterización de las propiedades del material elastocalórico de las aleaciones con memoria de forma (SMA). Se ha diseñado un banco de pruebas hecho a medida para el control y la supervisión exhaustiva de los procesos de enfriamiento elastocalórico. Además, proporciona una plataforma de validación para enfoques de modelado acoplados termomecánicamente.

Métodos experimentales para procesos de enfriamiento Elastocaloric Investigación de memoria de forma basada y validación del modelo

Aquí, fabricamos micro/nano estructuras poliméricas en 3D en las que tanto la forma como la alineación molecular se pueden diseñar con precisión a escala nanométrica mediante el uso de escritura láser directa. La deformación inducida por la luz de varios tipos de microestructuras de elastómeros cristalinos líquidos se puede controlar a escala microscópica.

De forma libre actuadores de luz - Fabricación y Control de la Actuación en la escala microscópica

Proponemos un método para extender la frecuencia correspondiente mediante el uso de una técnica de pre-énfasis. Este método compensa la reducción de ganancia de un galvanómetro de espejo en la trayectoria de onda senoidal de seguimiento utilizando el control-integral-diferencial proporcional.

Metodología de ganancia de compensación para una exploración sinusoidal de un galvanómetro de espejo en Proporcional-Integral-Diferencial de control Uso Técnicas Pre-énfasis

El sifón rompiendo el fenómeno fue investigado experimentalmente y se propuso un modelo teórico. Se desarrolló un programa de simulación basado en el modelo teórico y los resultados del programa de simulación se compararon con los resultados experimentales. Se concluyó que los resultados del programa de simulación emparejó bien los resultados experimentales.

Estudio de sifón interruptor experimento y simulación de un Reactor de investigación

Demostrar un método totalmente electrónico para observar la dinámica de carga resuelto nanosegundo de los átomos del dopant en silicio con un microscopio de efecto túnel.

Totalmente electrónico resuelto nanosegundo túnel microscopía: Facilitar la investigación de Dopant solo carga dinámica

Aquí, presentamos un protocolo para observar corrientes en torbellino inestables sobre un ala de delta usando una técnica de visualización de flujo modificado de humo e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las localizaciones de desglose de vórtice de vanguardia.

Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo

Aprende a implementar control jerárquico en microrredes DC usando OPAL RT-Lab. Este protocolo valida experimentalmente estrategias de control primario y secundario, cerrando la brecha entre simulación y aplicación práctica en entornos dinámicos.

Investigación experimental del control jerárquico en microrredes de corriente continua utilizando un simulador en tiempo real

Explorar más videos