experimental de sistemas de potencia para estudiar el efecto de nuevas plantas solares Nombre: Daniel Ruiz Vega SEPI-‐ESIME-‐Zacatenco, IPN Sede Regional: Centro, Ins@tuto Politécnico Nacional Fecha: 22 de octubre de 2014
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Motivación Se está llevando a cabo la interconexión a los sistemas eléctricos de potencia de México de plantas de generación solares.
Los estudios de interconexión de estas plantas son muy importantes y requeridos, debido a que se están instalando plantas solares grandes en el sistema de potencia de alta tensión, y se permite actualmente la instalación de plantas solares pequeñas en instalaciones comerciales y residenciales. 2
Motivación Para el diseño y la operación de los sistemas de potencia se emplean principalmente simuladores de computadora digital, aunque en la docencia y la inves@gación se emplean de manera complementaria muchos @pos de simuladores. Simuladores
De computadora Digital
Analógica
Físicos Escalados
No escalados
Especiales
En los programas de posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-‐ ESIME-‐Zacatenco se han desarrollado o adquirido todos los @pos de simuladores de sistemas de potencia. 3
Motivación El análisis del funcionamiento de este @po de plantas requiere la implementación de laboratorios experimentales, como se han establecido en otras partes del mundo, con el objeto de: • Desarrollar y validar modelos de las nuevas plantas para ser empleados en los programas que se u@lizan para evaluar su efecto en el diseño y la operación de los sistemas eléctricos de transmisión y distribución. • Servir como un sistema de referencia para probar proto@pos de nuevos sistemas de control, monitoreo, inversores electrónicos, almacenamiento de energía y otros, requeridos actualmente para mejorar la operación de los sistemas eléctricos. 4
Motivación • Al tener el sistema experimental, se puede realizar inves@gación para mejorar o crear pruebas con el objeto de determinar los parámetros de los componentes de la planta solar, o monitorear la condición de la planta. • El proyecto es mul@disciplinario y abarca sobre todo áreas de inves@gación en los campos de las ingenierías electrónica, eléctrica, de telecomunicaciones, de control y de computación. • Además de ser muy ú@l en la inves@gación, un laboratorio de este @po puede ser empleado para la docencia a nivel licenciatura y posgrado en cursos y prác@cas que además de enseñar los conceptos básicos de una planta solar, verifiquen su correcto funcionamiento. 5
Planta solar • El proyecto requiere la instalación de un sistema solar fotovoltaico de 2250 W de potencia, interconectado a la red con respaldo de baterías.
Estructura general del sistema 6
Planta solar • Es un proyecto mul@disciplinario del IPN aprobado en 2013
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Planta solar • Lugar de instalación de la planta Ubicación del sistema solar fotovoltaico
Sala donde se ubicarán los tableros
Laboratorios Pesados II de ESIME-‐Zacatenco
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Infraestructura disponible Actualmente se cuenta en los Programas de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-‐ESIME-‐ Zacatenco con dos simuladores experimentales con caracterís@cas muy importantes para realizar inves@gación en sistemas de potencia. • El simulador experimental de sistemas de potencia, el cual @ene 4 áreas de control. • El simulador Opal-‐RT de @empo real con 12 núcleos. 9
Simulador experimental de sistemas de potencia
a) Generador síncrono de 5 kVA
b) Micromáquinas síncronas de 4.5 kVA
c) Generador síncrono de 9 kVA
d) Máquina generalizada AEI
Figura: Máquinas síncronas del simulador
e) Máquina generalizada Mawdsley
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Simulador experimental de sistemas de potencia Cuenta con los siguientes equipos de control de los generadores:
• 2 controles de excitación Basler 200 para las micromáquinas síncronas. • 2 controles de excitación Basler 125-‐15 para la máquina educacional y el generador de 9 kVA. • 3 controles de velocidad, dos ABB 400DCS y un control Reliance electric. • 1 medidor de ángulo de carga de máquinas síncronas diseñado y construido por el grupo.
Cuenta con los siguientes equipos para la red de transmisión y cargas: • • • •
33 reactores monofásicos de diferentes impedancias para modelar líneas de transmisión. 23 módulos trifásicos para representar cargas está@cas capaci@vas, induc@vas y resis@vas. 26 capacitores para modelar el efecto capaci@vo de líneas de transmisión. 4 transformadores y tres reactores trifásicos
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Simulador experimental de sistemas de potencia
12
Simulador experimental de sistemas de potencia Planta Solar con M. Síncrona Baterías
Educacional con controles
4
2
5 1
Red del SEP
Micromáquina de polos lisos con controles
3
6
VFT Bus infinito (CFE)
Micromáquina de polos salientes con controles 13
Simulador experimental de sistemas de potencia Aplicaciones: Validación de modelos 260
Valor experimental Valor teórico Valor experimental filtrado
250
Voltaje [V]
240
230
220
210
200
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Tiempo [s]
a) Modelo del lazo de control de voltaje de la micromáquina de polos salientes
b) Comparación de los resultados de la prueba de escalón del control 70
Êngulo de carga δ [°]
60
50
40
30
20
10
0
c) Respuesta del control de velocidad de la micromáquina de polos salientes ante un aumento de carga
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo [ms]
d) Medición transitoria del ángulo de 14 ante aumentos de carga
Simulador de tiempo real • Es una herramienta de investigación que permitirá consolidar las líneas de investigación de los profesores nuevos en las áreas de protección de SEP, estabilidad, máquinas eléctricas, transitorios electromagnéticos, alta tensión y electrónica de potencia. • Adicionalmente, este equipo será empleado para ampliar los convenios de colaboración con la industria y otras instituciones académicas, nacionales y extranjeras. • Es un simulador con 8 núcleos que puede simular sistemas de potencia de hasta 86 nodos y que puede probar equipos en lazo cerrado.
Este equipo complementa y mejora de manera importante la infraestructura experimental de laboratorios de investigación de los programas de posgrado en ingeniería eléctrica 15
Simulador de tiempo real 8
7 BRK1 G1
1
5
6 25 km
10 km
110 km F1
R
Area 1
11
10
F2
C1 2
9
110 km
10 km
3
25 km
G3
C9
L1
L9
4
G2
G4
Area 2
Sistema de prueba del relevador comercial Simulador Digital en Tiempo Real Cabinet (Front view) Power Bar
Conexión del relevador para la prueba de lazo cerrado.
--
A A A A A A A A A A A A A A A AA A A A A A A A C C C C C C C C C C C C C C C CC C C C C C C C A A A A A A TITI A A A A A A TITI AAAAAA TI A TI A TITITITITITITI A A TITITITITITI A A TITITITITI C VI C VI C VI C VI C VI C VIVIVI C VI C VI C VI C VI C VI CVIVIVI C VI C VI C VI C VI C VI C VI VI VI C C C C TMODULE T T T T T#1 TTC TMODULE T T T T T#2 T TC TMODULE T T T T T#3 TT TC T TI T TI T TI T TI T TI T TI TC TC T TI T TI T TI T TI T TI T TI TC TC T TI T TI T TI T TI T TI T TI T C TI P TI PC PC PC PC PC PC P TI P TI PC PC PC PC PC PC P TI P TI PC PC PC PC PC PC P VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y H H H H H H H H H H H H T T T T T T T T T T T T T T T T T T VI VI VI VI 0 -+ 1 -+H 2 -+H 3 -+H 4 -+H 5 -+H 6 -+H 7 -+ 0 -+ 1 -+H 2 -+H 3 -+H 4 -+H 5 -+H 6 -+H 7 VI 0 VI 1 -+ 2 -+ 3 -+ 4 -+ 5 -+ 6 -+ 7 -+ + + T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T C C C C C C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7 P P P P P P P P P P P P P P P P P P T T T T T T C A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A PH PH PH P YH PH PH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH YH Y H 1C 1C 1C 1C 1C 1H 1C 1C 1C 1C 1C 1H 1C 1C 1C 1C 1C 1 Y Y YH YH Y Y C C C C 8+ 9 8+ 9 8H 9 -H -H -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -C -1 -1 -1 -1 -1 0 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ 0 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7C 0 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + + + + + + + + + 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 C C C C C A TI A TI A TI A TI A TI A TI A TI A TI A TI A TI A TI ATI A TI A TI A TI A TI A TI A 8 TI 9 TI 8 TI 9 TI 8 TI 9 TI TI H H H H H H H H H H H H H H H H H H A A A A A A 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 H VI H VI H VI H VI H VI H VI C C C C C C C C C C C C C C C C C C VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 C C C C C C TMODULE T T T T T#1 TT8 TMODULE T T T T T#2 T T8 TMODULE T T T T T#3 T1 T 8 9 9 9 TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI TI T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 C C C C C C TI P TI PC PC PC PC PC PC P TI P TI PC PC PC PC PC PC P TI P TI PC PC PC PC PC PC P VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI VI Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y H H H H T T T T T T T T T T T T T T T T T T 0+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7+ 0+ 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7 VI 0 VI 1+ 2+ 3+ 4+ 5+ 6+ 7 -VI -VI -H -H -H -H -H -H -VI -VI -H -H -H -H -H -H -H -H -H -H -H -H -H -H + + + T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T C C C C C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 0C 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7 P P P P P P P P P P P P P P P P P P T T T T T T C C PH PH PH PH PH PH YYH YYH YYH Y YH Y YH Y YH YYH YYH YY H 1 1H 1 1H 1H 1 1H 1 1H 1H 1 1H 1 1H 1 YH Y1H YH Y1H YH Y1H 8 -+9 8 -+9 8 -+ 9 C -+H -+C -+C -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ 0 1 -+C 2 -+C 3 4 -+C 5 -+C 6 -+C 7 -+C 0 1 -+C 2 -+C 3 4 -+C 5 -+C 6 -+C 7C 0 1C 2C 3 4C 5C 6C 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 C C C C 8 9 HHHHHH8 9 HHHHHH8 9 HHHHHH 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 HH HH HH 111111 111111 111111 89 89 89 012345 012345 012345 RTLA B
Voltajes & Corrientes en tiempo real de RTDS Respuesta del relevador
Relevador Comercial
Power distribution unit
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Simulador de tiempo real
Modelo creado en SIMULINK
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Simulador de tiempo real Osciloscopio
PC Principal Interfaz con el Usuario
Relevador Comercial SEL 421
Simulador Digital en Tiempo Real Opal-RT
Conexión física del relevador para la prueba de lazo cerrado.
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Conclusiones La tendencia actual en la mayoría de los programas de Ingeniería Eléctrica en Sistemas de Potencia a nivel mundial es emplear principalmente simuladores virtuales (programas de simulación digital) para realizar trabajos de inves@gación y docencia en esta importante área. Esto se ha debido principalmente a que la construcción y mantenimiento de simuladores experimentales de laboratorio de sistemas de potencia implica grandes costos de inversión y mantenimiento de los equipos principales de simulación y de los equipos auxiliares de medición y control. El mejor enfoque posible, de acuerdo a la opinión del Grupo de Inves@gación de Fenómenos Dinámicos, es combinar ambos @pos de simuladores, los cuales son complementarios. 19
Conclusiones Los simuladores y equipos desarrollados podrán ser empleados para organizar en un futuro proyectos de colaboración a nivel nacional e internacional con ins@tuciones educa@vas e industriales. El programa de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Eléctrica actualmente no está en el PNPC. Se está restructurando con el objeto de que cumpla con los criterios del CONACyT, y dentro de estos planes, la mejora de los laboratorios se considera como una prioridad, ya que además de reforzar todas la áreas de inves@gación, servirá para proveer de herramientas para que los profesores que se han integrado recientemente al programa se consoliden como inves@gadores del SNI. 20
Conclusiones La información del proyecto y del grupo de inves@gación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas puede ser consultada en: La página de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de SEPI-‐ ESIME-‐Zacatenco del IPN:
• hip://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx El correo electrónico (Dr. Daniel Ruiz Vega):
•
[email protected] 21
