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"Con este flujo de trabajo, los ingenieros de electrónica de potencia pueden modelar, simular y validar sus diseños de sistemas de control en Simulink con el nivel de fidelidad que requiera la aplicación, ya sea un modelo de valor promedio, un modelo de conmutación completa o cualquier nivel intermedio".
A medida que se acelera la transición a las energías renovables, aumenta la demanda de sistemas de transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC) para interconectar las redes de CA y transferir energía de manera eficiente con menores pérdidas a largas distancias. El proyecto HVDC-WISE, una colaboración financiada por la Unión Europea en la que participan 14 socios de 10 países, tiene como objetivo superar los principales desafíos en las áreas de fiabilidad y resiliencia del sistema para arquitecturas híbridas de transmisión CA/CC. Los ingenieros e investigadores que trabajan en el proyecto se centran en identificar configuraciones de red basadas en HVDC que aborden estos desafíos al tiempo que facilitan la integración de fuentes de energía renovables.
Un desafío constante en el desarrollo y la implementación de sistemas HVDC radica en las diversas cadenas de herramientas utilizadas en los dos dominios de ingeniería principales involucrados. Los ingenieros de electrónica de potencia de los fabricantes de equipos, así como los ingenieros de sistemas eléctricos de los operadores de red y las instituciones de investigación, dependen cada vez más de MATLAB® y Simulink® para modelar, simular y validar una amplia gama de componentes y sistemas, desde convertidores y almacenamiento de energía hasta configuraciones completas conectadas a la red eléctrica.
Sin embargo, a menudo surgen problemas de interoperabilidad cuando los modelos de subsistemas desarrollados en un entorno deben utilizarse en otra cadena de herramientas, por ejemplo, durante estudios de certificación o integración donde la red de referencia o la red de evaluación comparativa se modela en un entorno distinto de MATLAB y Simulink. Esta necesidad de traducir o reproducir modelos entre diferentes herramientas suele ser un proceso laborioso y propenso a errores.
Paralelamente, la protección de la propiedad intelectual (PI) sigue siendo una preocupación fundamental. Los fabricantes suelen mostrarse reacios a compartir modelos de implementación detallados cuando colaboran con operadores de red o con organismos de certificación. Para abordar tanto los problemas de interoperabilidad como los de propiedad intelectual, se están adoptando cada vez más flujos de trabajo basados en el estándar Functional Mock-up Interface (FMI) y en el intercambio de modelos parametrizables. Estos flujos de trabajo permiten exportar modelos de Simulink como unidades funcionales de simulación (FMU), un paquete estandarizado que contiene el código compilado del modelo, pero no el modelo original visualizable y editable. Una FMU preserva la fidelidad al tiempo que permite una integración segura en entornos de simulación externos o, cuando es necesario, proporciona modelos de caja negra que mantienen la confidencialidad sin sacrificar la interoperabilidad.
Para satisfacer las necesidades del proyecto, nuestros equipos de la Universidad de Strathclyde y SuperGrid Institute, ambos socios de HVDC-WISE, han desarrollado un nuevo flujo de trabajo que aborda ambos problemas utilizando el estándar FMI para unificar la cosimulación entre dominios y el intercambio de modelos. Con este flujo de trabajo, los ingenieros de electrónica de potencia pueden modelar, simular y validar diseños de sistemas de control en Simulink con el nivel de fidelidad que requiera la aplicación, ya sea un modelo de valor promedio, un modelo de conmutación completa o un nivel intermedio. Luego exportan el modelo como una FMU de acondicionamiento de potencia que puede ser importado por ingenieros de sistemas de operadores de red que utilizan entornos de simulación de sistemas eléctricos como DIgSILENT PowerFactory, que se adoptan en estudios de planificación y operación de redes (Figura 1). Estos entornos suelen seleccionarse porque los modelos de red, los datos y los flujos de trabajo de validación existentes se han desarrollado desde hace tiempo en torno a ellos, lo que convierte su uso continuado en un requisito práctico para la interoperabilidad y la certificación.
Figura 1. El estándar FMI permite la cosimulación entre dominios y el intercambio de modelos entre PowerFactory y Simulink.
Las siguientes secciones ilustran un ejemplo práctico que implementamos utilizando este flujo de trabajo: el diseño y el análisis a nivel de sistema de un sistema de almacenamiento de energía conectado directamente a terminales HVDC.
Los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) proporcionan flexibilidad y estabilidad esenciales en redes con una alta penetración de energías renovables. El sistema de almacenamiento de energía (ESS) que diseñamos para esta aplicación está conectado directamente a los terminales HVDC a través de una serie de submódulos de almacenamiento de energía (ES-SM) conectados en serie, junto con un inductor de rama. Cada ES-SM combina un submódulo de semipuente con un elemento de almacenamiento, ya sea una batería o un supercondensador, conectado a través de un convertidor CC/CC (Figura 2). Esta arquitectura modular permite que el ESS inyecte o absorba energía del sistema HVDC en todo el intervalo de tensión del sistema de almacenamiento.
Figura 2. La rama de ES-SM muestra detalles de un único ES-SM (izquierda) y un modelo promedio de la rama ES-SM con supercondensadores o baterías como elementos de almacenamiento (derecha).
Para este caso de uso, estábamos interesados principalmente en los análisis a nivel de red, más que en el comportamiento detallado del propio sistema de almacenamiento de energía. Por lo tanto, decidimos implementar un modelo de valor promedio que capture el comportamiento del ESS sin simular los estados de los distintos dispositivos de conmutación de electrónica de potencia. En lugar de modelar cada submódulo explícitamente, el modelo de valor promedio representa la dinámica combinada utilizando un condensador equivalente y elementos de almacenamiento equivalentes. Para crear un modelo de planta de la rama ES-SM, traducimos las relaciones del circuito a ecuaciones, por ejemplo, calculando la tensión del condensador como la integral de la corriente neta según la ley de corrientes de Kirchhoff, e implementamos estas ecuaciones como bloques MATLAB Function.
A continuación, implementamos dos estrategias de control en cascada diferentes para el ESS: Una utiliza un lazo interno de control de corriente y un lazo externo de control de potencia para regular la inyección de potencia en CC, mientras que la otra utiliza un lazo interno de control de corriente y un lazo externo de control de energía para gestionar la energía del condensador equivalente (Figura 3).
Figura 3. Controladores en cascada para regular la energía del condensador equivalente (arriba) y la potencia en CC (abajo).
Modelamos ambas estrategias de control en Simulink (Figura 4) y ejecutamos simulaciones de lazo cerrado con los controladores y la planta para ajustar los parámetros de control, y evaluar y validar el rendimiento del diseño.
Figura 4. Modelo de Simulink para el ESS, que incluye bloques para la implementación de dos estrategias de control diferentes (área sombreada).
Este enfoque de modelado de valor promedio proporciona la eficiencia computacional necesaria para las simulaciones a nivel de red, al tiempo que mantiene una precisión suficiente para el flujo de potencia y la dinámica energética.
Una vez validado el modelo de ESS en Simulink, lo exportamos como una FMU para la cosimulación a nivel de red, que en este ejemplo se llevó a cabo utilizando PowerFactory. Para ello, utilizamos Simulink Compiler™ y el paquete de soporte de FMU Builder for Simulink para generar una FMU independiente que contiene una librería binaria compartida compilada a partir del modelo de Simulink de ESS. El archivo FMU resultante actúa como una caja negra estandarizada, independiente de la plataforma y autónoma. Contiene código ejecutable que implementa el comportamiento del modelo sin exponer el diseño subyacente de Simulink.
En PowerFactory, creamos un modelo de prueba simple que consta de un inductor de rama y una fuente de tensión controlada, y conectamos este modelo con la FMU, que contiene tanto los controladores como la planta ES-SM, que habíamos generado desde Simulink (Figura 5).
Figura 5. Modelo sencillo para validar la FMU.
Para validar el flujo de trabajo basado en FMU, ejecutamos escenarios de simulación idénticos tanto en Simulink como en PowerFactory. La simulación comienza sin absorción de potencia y con una tensión en el condensador equivalente igual a \(700\) \( kV \). En t=0,5 s, la referencia de tensión del condensador equivalente salta a \(710\) \( kV \), mientras que en t=1 s, la referencia de potencia salta a \(10\) \( MW \), y en t=1,5 s, sube hasta \(100\) \( MW \) (en ambos casos, la dirección del flujo de potencia es hacia el sistema de almacenamiento). Los resultados de Simulink se presentan en la Figura 6, mientras que los resultados de la simulación de DIgSILENT PowerFactory se muestran en la Figura 7.
Figura 6. Potencia del ESS en vatios (arriba) y tensión equivalente del condensador en voltios (abajo) mostrados en Simulink.
Figura 7. Potencia de ESS en vatios (arriba) y tensión equivalente del condensador en voltios (abajo), mostrados en PowerFactory.
Los resultados de la simulación mostraron una gran concordancia (Figuras 6 y 7), con las formas de onda de potencia y tensión prácticamente idénticas después de los transitorios iniciales. Este resultado confirmó que el flujo de trabajo que utilizamos permite una cosimulación multiplataforma eficaz de sistemas y subsistemas HVDC.
El flujo de trabajo basado en FMI y FMU que hemos establecido ofrece ventajas significativas para el desarrollo de sistemas HVDC. Al separar las actividades de diseño de dispositivos de las actividades de certificación a nivel de red, los ingenieros de electrónica de potencia pueden centrarse en el diseño y la validación de subsistemas en Simulink, mientras que los ingenieros de sistemas de potencia pueden realizar análisis de certificación y estabilidad en herramientas especializadas como PowerFactory, sin necesidad de reimplementar manualmente el modelo. Esta capacidad es especialmente valiosa porque recrear modelos de control complejos en PowerFactory puede llevar mucho tiempo y requiere conocimientos especializados del lenguaje de simulación DIgSILENT. Nuestro flujo de trabajo conecta estos dos entornos, utilizando el estándar FMI para permitir el intercambio de modelos y la cosimulación. Más allá de la eficiencia, nuestro flujo de trabajo ofrece tres ventajas clave: interoperabilidad entre plataformas de simulación, reutilización de modelos verificados, que ahorra tiempo de desarrollo y garantiza la coherencia, y protección de la propiedad intelectual mediante encapsulación de caja negra. Las ventajas conjuntas de la interoperabilidad y la protección de la propiedad intelectual han demostrado ser especialmente valiosas dentro del consorcio HVDC-WISE, permitiendo a los socios compartir modelos de forma segura y mejorar los esfuerzos de desarrollo colaborativo.
Ya hemos utilizado este flujo de trabajo para varios modelos, además del ESS, incluyendo un sistema de frenado dinámico y un convertidor MMC formador de redes. Los esfuerzos futuros se centrarán en perfeccionar y ampliar la librería de modelos existente de componentes HVDC basados en FMU, realizar pruebas de interoperabilidad en plataformas de simulación adicionales y llevar a cabo más estudios de validación cruzada para mejorar la precisión y la usabilidad del modelo. Al proporcionar modelos estandarizados e interoperables y extender la aplicación de nuestro flujo de trabajo a escenarios de sistemas eléctricos a gran escala más realistas, nuestro objetivo es promover este enfoque en toda la comunidad de ingeniería de potencia, en apoyo del objetivo más amplio del proyecto HVDC-WISE de acelerar el despliegue de arquitecturas de transmisión híbridas CA/CC fiables y resilientes.
HVDC-WISE cuenta con el apoyo del programa Horizonte Europa de la Unión Europea en virtud del acuerdo 101075424.
La financiación de UK Research and Innovation para HVDC-WISE se proporciona en el marco de la garantía de financiación del programa Horizonte Europa del Gobierno del Reino Unido [subvenciones n.º 10041877 y 10051113].
Publicado en 2026
