Diseño, validación e implementación de algoritmos y arquitecturas de comunicación y control para la integración de energía solar fotovoltaica y movilidad eléctrica en microrredes

Abstract

The transition towards sustainable energy systems depends crucially on the effective integration of renewable energy sources and electric mobility. This PhD thesis focuses on the design, validation and implementation of communication and control algorithms and architectures that facilitate the integration of solar photovoltaic and electric vehicles (EVs) in microgrids. The research addresses key challenges such as solar power intermittency and EV load management, proposing solutions that improve grid stability and efficiency. This PhD thesis presents a comprehensive approach for the design, validation and implementation of communication and control algorithms and architectures that facilitate the integration of solar PV and electric mobility in microgrids. First, a review of the state of the art of solar energy and electric mobility technologies, as well as the control and management strategies used in these systems is carried out. This review includes the analysis of hybrid methodologies for energy management in microgrids, highlighting the role of EVs as energy storage systems that can mitigate fluctuations in PV generation. Then, intelligent load control algorithms are developed and validated to optimize the use of EV batteries. These algorithms are designed to manage the charging and discharging of EVs based on variations in solar power generation and grid conditions. The algorithms are integrated into advanced simulation platforms, such as MATLAB and OpenDSS, to assess their impact on the power grid and enable the implementation of efficient charging strategies. Simulation results have shown that these algorithms can significantly reduce power fluctuations and improve grid stability. Finally, a decentralized communication architecture is implemented and tested to facilitate the interaction between PV generators and local control systems in microgrids. This architecture is designed to support real-time power management, improving system response to variations in the PV resource considering high cloud cover conditions in areas where high PV penetration is expected. Simulations have shown that this architecture enables efficient and secure power management, reducing voltage fluctuations at customer terminals, i.e. improving power quality through the proper distribution of electric vehicle aggregators. In addition, an analysis of the impact of harmonics generated by EV charging stations in grids with high PV penetration has been carried out. This analysis has revealed that the magnitude of the third harmonic can increase significantly, affecting the capacitance of the EVs.

La transición hacia sistemas energéticos sostenibles depende crucialmente de la integración efectiva de fuentes de energía renovable y la movilidad eléctrica. Esta tesis doctoral se centra en el diseño, validación e implementación de algoritmos y arquitecturas de comunicación y control que faciliten la integración de la energía solar fotovoltaica (PV) y los vehículos eléctricos (VEs) en microrredes. La investigación aborda desafíos clave como la intermitencia de la energía solar y la gestión de la carga de los VEs, proponiendo soluciones que mejoren la estabilidad y eficiencia de la red eléctrica. Esta tesis doctoral presenta un enfoque integral para el diseño, validación e implementación de algoritmos y arquitecturas de comunicación y control que faciliten la integración de la energía solar fotovoltaica y la movilidad eléctrica en microrredes. Primero, se realiza una revisión del estado del arte de las tecnologías de energía solar y movilidad eléctrica, así como las estrategias de control y gestión utilizadas en estos sistemas. Esta revisión incluye el análisis de metodologías híbridas para la gestión de energía en microrredes, destacando el papel de los VEs como sistemas de almacenamiento energético que pueden mitigar las fluctuaciones en la generación PV. Después, se desarrollan y validan algoritmos de control de carga inteligente para optimizar el uso de las baterías de los VEs. Estos algoritmos están diseñados para gestionar la carga y descarga de los VEs en función de las variaciones en la generación de energía solar y las condiciones de la red. Los algoritmos se integran en plataformas de simulación avanzadas, como MATLAB y OpenDSS, para evaluar su impacto en la red eléctrica y permitir la implementación de estrategias de carga eficientes. Los resultados de las simulaciones han demostrado que estos algoritmos pueden reducir significativamente las fluctuaciones de potencia y mejorar la estabilidad de la red. Finalmente, se implementa y prueba una arquitectura de comunicación descentralizada que facilitan la interacción entre los generadores fotovoltaicos y los sistemas de control local en las microrredes. Esta arquitectura está diseñada para soportar la gestión en tiempo real de la energía, mejorando la respuesta del sistema a las variaciones en el recurso fotovoltaico considerando condiciones de alta nubosidad en zonas donde se espera una alta penetración de energía fotovoltaica. Las simulaciones han demostrado que esta arquitectura permite una gestión eficiente y segura de la energía, reduciendo las fluctuaciones de tensión en bornes del cliente, es decir, mejorando la calidad de la energía mediante la distribución adecuada de los agregadores de vehículos eléctricos. Además, se ha llevado a cabo un análisis del impacto de los armónicos generados por las estaciones de carga de VEs en redes con alta penetración fotovoltaica. Este análisis ha revelado que la magnitud del tercer armónico puede aumentar significativamente, afectando la capacidad de alojamiento de la red. Los resultados obtenidos demuestran que la integración adecuada de estos sistemas puede reducir significativamente las fluctuaciones de tensión y potencia, mejorar la estabilidad de la red y la calidad de energía. En resumen, esta investigación contribuye al avance científico y tecnológico en el campo de las energías renovables y la movilidad eléctrica, proporcionando herramientas y estrategias para una integración más eficiente y sostenible de estas tecnologías en los sistemas energéticos actuales. La colaboración internacional y la transferencia de conocimientos han sido fundamentales para el éxito de esta investigación, permitiendo compartir recursos y tecnologías, y promoviendo el desarrollo de soluciones prácticas y escalables que pueden ser adoptadas globalmente.