1. Educación

Desarrollo de un simulador
experimental de sistemas
de potencia para estudiar
el efecto de nuevas
plantas solares
Nombre: Daniel Ruiz Vega
SEPI-ESIME-Zacatenco, IPN
Sede Regional: Centro,
Instituto Politécnico Nacional
Fecha: 22 de octubre de 2014
1
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 investigación se emplean de
manera complementaria muchos tipos de simuladores.
Simuladores
De computadora
Digital
Analógica
Físicos
Escalados
No escalados
Especiales
En los programas de posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPIESIME-Zacatenco se han desarrollado o adquirido todos los
tipos de simuladores de sistemas de potencia.
3
Motivación
El análisis del funcionamiento de este tipo 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 utilizan 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
prototipos 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
investigación 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 multidisciplinario y abarca sobre todo áreas
de investigación en los campos de las ingenierías
electrónica, eléctrica, de telecomunicaciones, de control y
de computación.
• Además de ser muy útil en la investigación, un laboratorio
de este tipo puede ser empleado para la docencia a nivel
licenciatura y posgrado en cursos y prácticas 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 multidisciplinario del IPN aprobado en 2013
7
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
8
Infraestructura disponible
Actualmente se cuenta en los Programas de
Posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-ESIMEZacatenco con dos simuladores experimentales con
características muy importantes para realizar
investigación en sistemas de potencia.
• El simulador experimental de sistemas
potencia, el cual tiene 4 áreas de control.
de
• El simulador Opal-RT de tiempo 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
10
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 estáticas capacitivas,
inductivas y resistivas.
26 capacitores para modelar el efecto capacitivo de líneas de transmisión.
4 transformadores y tres reactores trifásicos
11
Simulador experimental de sistemas de potencia
12
Simulador experimental de sistemas de potencia
Planta Solar con
Baterías
M. Síncrona
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
Ángulo de carga  [°]
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
ante aumentos de carga
14
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
G3
25 km
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.
--
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C
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3 -+H
4 -+H
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3C
4C
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2C
3C
4C
5C
6C
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H
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1H
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1H
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1H
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1C
1C
1C
1C
1
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Y
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C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
8
9
8
9
8
9
C
C
C
C
C
-+H
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+C
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
-+
0 -+H
1 -+C
2
3
4
5
6
7
0 -+C
1 -+C
2
3
4
5
6
7
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1C
2
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4
5
6
7
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1
1
1
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2
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4
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4
5
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H VI
H VI
H VI
H VI
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VI
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VI
VI
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1
1
1
1
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1
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1
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1
1
1
C
C
C
C
C
C
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T T8
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9
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2
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2
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3 -+H
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1 1H
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1 1H
1 1H
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-+C
-+C
-+C
-+C
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0 -+C
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3
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2
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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
16
Simulador de tiempo real
Modelo creado en SIMULINK
17
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.
18
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 investigación 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 Investigación de Fenómenos Dinámicos, es combinar
ambos tipos 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
instituciones educativas 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 investigación, servirá para proveer de
herramientas para que los profesores que se han integrado
recientemente al programa se consoliden como
investigadores del SNI.
20
Conclusiones
La información del proyecto y del grupo de investigación de
fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas
eléctricas puede ser consultada en:
La página de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de SEPIESIME-Zacatenco del IPN:
• http://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx
El correo electrónico (Dr. Daniel Ruiz Vega):
• [email protected]
21