Estrategia descentralizada de gestión de un supercapacitor para microrredes

Abstract

Los sistemas de almacenamiento híbrido compuestos por baterías y supercapacitores representan una solución eficiente para la gestión de energía en aplicaciones eléctricas. En este esquema, la batería suministra la potencia en régimen estacionario, mientras que el supercapacitor absorbe o entrega corrientes rápidas, reduciendo el esfuerzo dinámico sobre la batería y extendiendo su vida útil. Dentro de estas configuraciones, la topología semiactiva se presenta como una alternativa atractiva, al permitir un control parcial del sistema de almacenamiento híbrido, incrementando la eficiencia y reduciendo costos en comparación con otras topologías. En este trabajo se aborda el diseño e implementación de dos topologías de convertidores de potencia, una no aislada y otra aislada, que actúan como interfaz para la conexión controlada del supercapacitor, habilitando su gestión dentro del sistema híbrido. Se desarrolla una estrategia de gestión de energía en la que el supercapacitor responde a los transitorios de carga, mientras la batería entrega la potencia requerida en estado estable. Además, se integra un lazo de control externo para la restauración del estado de carga del supercapacitor, garantizando su operación en un valor nominal adecuado. La validación de las estrategias se realizó mediante diferentes enfoques experimentales. Para el convertidor no aislado, se utilizó un esquema de Power Hardware-in-the-Loop, en el cual el conjunto supercapacitor–convertidor se evaluó como dispositivo bajo prueba frente a variaciones de carga. En el caso del convertidor aislado de tipo Dual Active Bridge, la estrategia de control fue validada inicialmente a través de Control Hardware-in-the-Loop, verificando la implementación del algoritmo en una tarjeta de control. Posteriormente, se llevó a cabo la construcción de un prototipo físico que emula el sistema híbrido de almacenamiento con fuentes programables y una carga electrónica. Los resultados experimentales demuestran la correcta operación del sistema híbrido, en el que el supercapacitor compensa los picos de corriente ocasionados por cambios súbitos en la carga, mientras que la batería suministra la potencia en régimen estacionario. De esta manera, se valida la efectividad del sistema propuesto y se resalta su potencial aplicación en sistemas de almacenamiento para microrredes. (Texto tomado de la fuente)

Hybrid energy storage systems made up of batteries and supercapacitors offer an efficient solution for energy management in electrical applications. In this setup, the battery provides steady-state power, while the supercapacitor handles fast current changes. This reduces the dynamic stress on the battery and helps extend its lifespan. Among different configurations, the semi-active topology stands out as an attractive option, as it allows partial control of the hybrid system, improving efficiency and reducing costs compared to other topologies. This work focuses on the design and implementation of two power converter topologies—one non-isolated and one isolated—that serve as the interface for controlled connection of the supercapacitor, enabling its management within the hybrid system. An energy management strategy is developed where the supercapacitor responds to load transients, while the battery supplies the required power under steady-state conditions. An external control loop is also included to restore the supercapacitor's state of charge, ensuring it operates within a proper nominal range. The proposed strategies were validated using different experimental approaches. For the non-isolated converter, a Power Hardware-in-the-Loop setup was used, where the supercapacitor–converter unit was tested as a device under test (DUT) against load variations. For the isolated Dual Active Bridge converter, the control strategy was first validated using Control Hardware-in-the-Loop, confirming that the algorithm worked correctly on the control board. Afterwards, a physical prototype was built to emulate the hybrid storage system using programmable power sources and an electronic load. The experimental results confirm the correct operation of the hybrid system. The supercapacitor successfully compensates for current spikes caused by sudden load changes, while the battery delivers steady-state power. These results validate the effectiveness of the proposed system and highlight its potential for use in microgrid energy storage applications.