La simulació per a sistemes energètics s’ha convertit en l’actualitat en una tasca fonamental que s’hauria de dur a terme durant qualsevol recerca o desenvolupament de projecte industrial. No només es tracta de provar models de sistemes, sinó que s’ha convertit en una fase essencial per a la planificació, optimització i definició d’estratègies de control. A més, particularment la simulació en temps real és una altra fita específica a causa de les grans preocupacions donades recentment als mètodes de programari, maquinari i model-in-the-loop. Tanmateix, la complexitat del sistema energètic i la limitació dels recursos de maquinari fan que sigui difícil aconseguir simulacions en temps real d’alta precisió. Aquests reptes i altres, amb les possibles solucions, van ser el tema de discussió del Taller de simulació en llocs sostenibles 2022, celebrat a Niça el passat ⁹ de setembre.

SIMBOTS

En primer lloc, es dóna la definició de SIMBOTS, com a plataforma de simulació. SIMBOTS és la representació matemàtica d’una màquina o equip real basada en equacions algebraiques diferencials per simular el comportament real d’un sistema. SIMBOTS pot intercanviar informació a través de ports d’entrada i sortida que poden ser de diferents tipus: fluids, tèrmics, mecànics o elèctrics. Els models es generen per realitzar de manera òptima la simulació en temps real quan s’implementen en sistemes i models més grans. Així, s’ha d’analitzar en detall la complexitat dels models per reduir els temps de simulació mantenint els resultats el més físics possible. S’ha de complir un compromís entre el temps de càlcul i la precisió dels resultats. Això pretén aconseguir temps de càlcul més baixos que en temps real, mantenint resultats fiables. Els SIMBOTS es poden importar i exportar des de diferents tecnologies i protocols. Alguns d’ells són C++, Functional Mock-Up Interface (FMI), OPC UA, servei web i API, Excel, Python, Matlab o qualsevol programari específic que proporcioni un model heretat. Un punt molt important relacionat amb la tecnologia escollida és el know-how proporcionat amb el component, algunes tecnologies poden requerir que el sistema d’equacions estigui obert i els models estiguin definits explícitament. Si aquesta situació no és desitjada, les opcions xifrades o de caixa negra són més adequades.

HARDWARE-IN-THE LOOP (HIL)

Com a segon tema, es parla de la gran contribució del hardware-in-the-loop (HIL), en la simulació en temps real. Depenent dels requisits de grau en temps real, que difereixen entre els sistemes d’energia elèctrica i tèrmica, HIL i virtual-hardware-in-the-loop (VHIL) han demostrat la seva eficàcia en la simulació de sistemes energètics, en particular, per a la depuració i el control de proves d’estratègia en temps real. Una possible opció per donar vida a una plataforma de simulació és mitjançant un sistema SCADA tal com s’adopta a Typhoon HIL, en aquest cas, l’operador interactua amb el maquinari HIL mitjançant una pantalla d’interfície d’usuari amigable. A més, és possible la integració d’un programari de tercers, com ara un programari d’automatització de proves creat per Python. La integració de tots aquests conceptes en el bessó digital és fonamental per centralitzar tota la recollida de dades i els models en un sol lloc, i combinant-ho amb la simulació, es pot donar als bessons digitals la capacitat de controlar una mena d’entorn de sandbox, que ajuda a la formació d’operadors, provar nous comportaments de control, etcc. També es pot permetre que la intel·ligència artificial (IA) i l’aprenentatge automàtic (ML) siguin entrenats mitjançant les dades de simulació disponibles o millorar la capacitat de resolució de problemes en temps real.

Pel que fa a l’educació superior, la simulació és una habilitat fonamental clau amb la qual els estudiants d’enginyeria i els investigadors han de tractar diàriament. En funció de la fase formativa (grau, màster o doctorat), l’eina de simulació ve imposada per les especificacions del programa educatiu, per un problema impulsat pel sector o segons les necessitats de recerca. Tanmateix, s’han de tenir en compte moltes preocupacions a l’hora de seleccionar una plataforma de simulació, qualsevol programari de simulació hauria de ser capaç de carregar equacions dins del maquinari del controlador i resoldre-les independentment de la plataforma de programari (Modelica, Trnsys, Matlab, etc.). Aquesta necessitat s’ha plantejat recentment a causa dels interessos donats als sistemes de control basats en les solucions de programari incrustat en el bucle. Per tant, els recursos de maquinari haurien d’ajustar-se al requisit de simulació en temps real, particularment per a la dinàmica de fluids, que sol requerir un temps de càlcul considerable. Tot i que, com s’ha esmentat anteriorment, els desenvolupadors haurien de trobar un compromís entre el temps de càlcul i la precisió de la simulació. En el mateix context, també s’ha d’optimitzar el cost d’implementació durant el procés de desenvolupament.

Pel que fa a HYPERGRYD, la simulació del sistema energètic és vital, la qual cosa es tradueix en diverses tasques de treball. Des de models físics fins a models basats en dades, la simulació de xarxes tèrmiques i acoblades elèctricament als edificis és fonamental per anticipar el comportament del sistema, depurar estratègies de control i optimitzar la integració i el funcionament dels sistemes d’energies renovables (FER). A més, el concepte de programari incrustat en el bucle és un tema de treball actiu, que és l’eina de solució HYPERGRYD per al control de les vores de les bombes de calor en una aplicació d’acoblament sectorial. En aquest context, KTH està desenvolupant i validant un conjunt de solucions de programari i maquinari, que poden dur a terme escenaris de simulació en temps real en el marc d’un funcionament basat en l’optimització de bombes de calor. Aquesta tasca es va validar amb èxit en una configuració experimental, mentre s’esperava una implementació real in situ a la nostra instal·lació de recerca associada KEZO.

Escrit per Mustapha Habib de KTH