Controlador PID de orden fraccionario óptimo para el control de frecuencia-carga en microredes multiinterconectadas que incluyen energías renovables y sistema de almacenamiento

Manteniendo la luz estable en un mundo renovable

A medida que más hogares e industrias obtienen energía de parques eólicos, embalses hidroeléctricos y baterías avanzadas, mantener la estabilidad de la red eléctrica se vuelve más difícil. Cuando la oferta y la demanda se desequilibran, la frecuencia de la red deriva, lo que puede dañar equipos y provocar apagones. Este artículo explora una nueva forma de mantener muchas redes eléctricas pequeñas e interconectadas —llamadas microredes— funcionando sin problemas, incluso cuando las renovables y la demanda de los usuarios son altamente impredecibles.

Por qué la frecuencia de la red importa en la vida cotidiana

Los sistemas eléctricos están diseñados para operar a una frecuencia muy específica (50 o 60 hertz, según la región). Si se encienden demasiados aparatos a la vez, o si el viento cae de repente y las turbinas producen menos energía, esa frecuencia puede bajar o subir. Pequeñas desviaciones son normales, pero las grandes o prolongadas pueden sobrecargar líneas, confundir dispositivos de protección y acortar la vida útil de la electrónica sensible. El reto se vuelve aún mayor cuando varios países o regiones están conectados entre sí: una perturbación en un área puede propagarse por las líneas de interconexión y desestabilizar a los vecinos. Los métodos tradicionales de “control de frecuencia-carga” funcionan bien en redes simples alimentadas por combustibles fósiles, pero encuentran dificultades a medida que se multiplican las fuentes renovables y los dispositivos de almacenamiento.

De grandes redes únicas a muchas microredes inteligentes

Para satisfacer la creciente demanda eléctrica mientras se reduce el uso de combustibles fósiles, los sistemas de energía están evolucionando de unas pocas plantas enormes a redes de microredes más pequeñas. Cada microred en este estudio combina centrales térmicas convencionales, hidroeléctricas, aerogeneradores y dos tecnologías de almacenamiento avanzadas: baterías de flujo redox, que almacenan energía en electrolitos líquidos, y sistemas de hidrógeno que convierten el excedente eléctrico en hidrógeno y luego de nuevo en energía mediante pilas de combustible. Estas microredes están conectadas entre sí para poder compartir energía. La ventaja es flexibilidad y resiliencia; la desventaja es una red de interacciones que hace mucho más difícil mantener la frecuencia y los intercambios de potencia dentro de límites seguros ante cambios bruscos de carga.

Una forma más inteligente de afinar el «piloto automático» de la red

Los ingenieros suelen confiar en controladores PID —sistemas automáticos que ajustan continuamente la potencia de los generadores para corregir errores de frecuencia—. Este trabajo utiliza una versión más flexible llamada controlador PID de orden fraccionario, que añade perillas de ajuste adicionales y puede moldear mejor cómo responde el sistema a lo largo del tiempo. El problema es que sintonizar estos controladores en redes grandes y ricas en renovables es un complicado problema de búsqueda con muchos puntos locales engañosos. Para abordarlo, los autores refinan un algoritmo conocido como optimizador político, inspirado en las elecciones multipartidistas. Su nueva versión con memoria, mPO, permite que los «candidatos» virtuales recuerden sus mejores posiciones pasadas y usen esa experiencia para guiar movimientos futuros, mientras que un paso especial de exploración mantiene la búsqueda diversa para evitar que se estanque prematuramente.

Probar el algoritmo antes de tocar la red

Antes de aplicar mPO a problemas reales de potencia, los autores lo prueban en una batería de funciones de referencia matemáticas estándar utilizadas para evaluar métodos de optimización. En 12 de estas funciones de prueba, mPO converge de forma más rápida y fiable que varios algoritmos populares inspirados en la naturaleza, incluidos lobo gris, enjambre gato de arena y métodos seno–coseno, así como que el optimizador político original. Muestra alta precisión, buena robustez y menor tendencia a quedar atrapado en óptimos locales, lo que indica que las modificaciones de memoria y exploración mejoran genuinamente el proceso de búsqueda.

Estabilizando redes de microredes ricas en renovables

El núcleo del artículo son una serie de simulaciones sobre dos microredes interconectadas y luego sobre un sistema mayor de cuatro. En cada caso, las microredes incluyen unidades térmicas, hidroeléctricas y eólicas más almacenamiento, y se someten a cambios bruscos de carga y efectos no lineales realistas. El algoritmo mPO se usa para sintonizar los controladores PID de orden fraccionario de modo que se minimice una medida de error combinada —que sigue tanto las desviaciones de frecuencia como los intercambios de potencia indeseados—. En comparación con el optimizador político tradicional y otros métodos, mPO reduce este error en aproximadamente un 8% cuando hay almacenamiento híbrido de hidrógeno–batería en el sistema de dos áreas y en cerca de un 20% en el sistema de cuatro áreas. También acorta los tiempos de establecimiento y reduce el sobreimpulso, lo que significa que las microredes vuelven a la operación normal más rápidamente y con menos oscilaciones.

Qué significa esto para los sistemas eléctricos del futuro

En términos sencillos, este estudio ofrece un «piloto automático» más inteligente para las complejas redes futuras con alta penetración de renovables. Al combinar un tipo avanzado de controlador con un algoritmo de búsqueda mejorado con memoria, los autores muestran que las microredes multiinterconectadas pueden aguantar picos de demanda repentinos y fluctuaciones renovables con desviaciones de frecuencia más pequeñas y flujos de potencia más suaves. Aunque el trabajo se basa en simulaciones detalladas, sugiere que tales métodos de afinado inteligentes podrían ayudar a los operadores del mundo real a integrar más energía limpia sin sacrificar la estabilidad, allanando el camino hacia redes eléctricas más grandes, verdes y fiables.

Cita: Alshahir, A., Fathy, A., A. Hashim, F. et al. Optimal fractional order PID-load frequency controller for multi-interconnected microgrids including renewable energy and storage system. Sci Rep 16, 14342 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43080-z

Palabras clave: microredes, energía renovable, control de frecuencia, algoritmo de optimización, almacenamiento de energía