ININTERRUMPIDA DE POTENCIA PARA
LOCALIDADES AISLADAS: TURBINA DE VIENTO
-PLANTA ELÉCTRICA – BANCO DE BATERIAS
Fernández, Herman Martínez I, Abelardo Guzmán A, Víctor Manuel Giménez, María Isabel
Resumen:El trabajo presenta una nueva plataforma modular de entrenamiento que combina diferentes
fuentes de energía y bloques de conversión de electrónica de potencia. El equipo propuesto es llamado Plataforma de Entrenamiento de una Fuente Ininterrumpida de Potencia con Turbina de Viento, TP-WT-UPS, modela una turbina de viento suministrando energía a una carga crítica en una localidad aislada. Dos fuentes son emuladas (la turbina de viento y una planta de combustión con generador de C.A.), tres bloques de conversión de potencia (DC/DC, DC/AC, AC/DC) y la electrónica de control que permite una arquitectura modular que puede ser modificada para una configuración particular. En lo posible se emplean partes de vehículos como alternadores o AVR. El TP- WT-UPS puede ser usado para el entrenamiento de ingenieros para su preparación en estos tópicos, así como también, como una plataforma expedita para el desarrollo de nuevos proyectos. Los resultados demuestran la factibilidad de aplicación del sistema de generación como un sistema híbrido en sitios aislados donde se pueda aprovechar la energía del viento y de plantas eléctricas.
Palabras clave: Fuente ininterrumpida de potencia especial/ Sistemas de cogeneración de energía
renovable/ Transformador ferro-resonante/ Turbina de viento.
AN EXPERIMENTAL AND TRAINING PLATFORM FOR
UNINTERRUPTED POWER IN ISOLATED LOCATIONS:
WIND TURBINE – ELECTRIC GENERATOR –
BATTERY BANK
Abstract: A new modular platform that can be used to combine different energy sources and power
electronics conversion blocks in a training environment is presented. The proposed equipment, called Training Platform for Wind Turbine Uninterruptible Power Supply (TP-WT-UPS) models a wind driven uninterruptible power supply feeding a critical load in an isolated location. Two energy sources are emulated (a wind turbine and a combustion engine driven AC generator), the three basic power electronic blocks (DC/DC, DC/AC, AC/DC) and control electronics are provided in a modular architecture that can be modified to suit a particular configuration. Wherever possible, standard off-the-shelf car parts such as alternators and AVR are used. TP-WT-UPS can be used both in the training of engineers, giving them hands-on experience on these topics, and also as a design tool for expedite the development of new projects. The experimental results shows that the equipment can be applied as an hybrid system in isolated locations where energy from the wind and electric generators can be used.
Keywords: Cogenerating Renewable Systems / Ferroresonant Transformer / Special Uninterruptible
Power Supply/ Wind Turbine
Manuscrito finalizado en Ciudad Guayana, Venezuela, el 2004/11/18, recibido el 2004/12/15, en su forma final (aceptado) el 2005/02/28. El MSc. Herman Fernández es Profesor Asociado en el Dpto. de Ingeniería Electrónica de la UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Telefax 0286-9621205, correo electrónico hfernandez@poz.unexpo.edu.ve. El Dr. Abelardo Martínez Iturbe es Profesor Titular en el Centro de Estudios Superiores, Universidad de Zaragoza, España, teléfono 34 976-761974, fax 34-976-762111, correo electrónico amiturbe@posta.unizar.es. Los Dres. Víctor Manuel Guzmán Argüís y María Isabel Giménez R. son Profesores Titulares en el Dpto. de Electrónica y Circuitos de la Universidad Simón Bolívar, Sartenejas, Baruta, Caracas, Teléfono 0212/9063677, fax 0212-9063631 correos electrónicos vguzman@usb.ve y mgimenez@usb.ve respectivamente
I. INTRODUCCIÓN
Los sistemas híbridos congregan distintas fuentes de energía con el fin de mantener energía ininterrumpida en cargas críticas. El propósito del trabajo es mostrar las potencialidades de un sistema denominado Fuente Ininterrumpida de Potencia con Turbina de Viento – WT-UPS, que a partir de unidades funcionales básicas, consigue extender el tiempo de respaldo de energía en una carga instalada que no tolera interrupción del servicio eléctrico. Este tipo de solución se puede desarrollar mediante dos estrategias [1]:
_ Sistemas Híbridos de Energía Renovables Integradas (SHERI) para emplazamiento aislados,
_ Esquema de Cogeneración con Energías Renovables (ECER) para conexión a la red.
Debido a que la atención de los autores se inclina por la primera opción, el convertidor de la etapa final suple de energía a la carga directamente, ya sea por la turbina de viento, por el banco de baterías o en última instancia por la planta eléctrica. El esquema se basa en las potencialidades conocidas de una fuente ininterrumpida de potencia, UPS [2]-[4], pero utilizando un generador síncrono que simula a un alternador de vehículo de 42V, como generador eléctrico del aerogenerador, con la conexión de una planta eléctrica que actúa como respaldo durante la ausencia de flujo del aire y descarga al mínimo nivel permitido de carga el banco de baterías. También es factible usar alternadores de 12 ó 24V.
La transferencia sin gradientes de tensión entre la turbina de viento – planta eléctrica y viceversa esta garantizada por el circuito de sincronismo de fase, PLL (Phase-Locked-Loop). Los resultados muestran la factibilidad de usar el sistema de generación para suministrar energía en sitios aislados, tales como centros médicos ambulatorios, estaciones de telemetría, pozos petroleros, etc.
II. DESARROLLO 1. Sistema híbrido
El diagrama de bloques del sistema híbrido se ilustra en la Fig.1. La plataforma la conforman la unidad rotativa, el bloque de conversión, el banco de baterías, la planta eléctrica, la sección de regulación y de control. El sistema completo opera como una fuente ininterrumpida de potencia.
Fig.1 Diagrama de bloques de la plataforma WT-UPS
El bloque que simula a la turbina de viento está estructurado por un generador síncrono que actúa como alternador de vehículo [5]-[8]. El generador se configura eléctricamente para simular los recientes alternadores de vehículos de 42V [9]. La salida del generador se conecta a un rectificador no controlado y un filtro tipo LC, para producir una tensión continua de bajo rizado. Gracias a la incorporación de un regulador automático de voltaje (AVR), la salida del filtro se mantiene cargando el banco de baterías y suministrando energía a la carga a través del inversor durante la operación de la turbina de viento.
A continuación del filtro, se coloca un convertidor elevador DC/DC que regula su salida a 79 voltios con el fin de mantener el transformador ferro-resonante en modo saturado y el banco de baterías en régimen de igualación. Este grupo actúa como fuente de respaldo cuando se detiene el generador eléctrico de la turbina. El tiempo de respaldo depende de la capacidad del banco de baterías.
Debido a que en muchos sectores aislados se dispone actualmente de plantas eléctricas, el sistema híbrido incluye un bloque de conversión AC/DC que surte de energía a la carga y al banco de baterías.
Se emplea un transformador ferroresonante (TF) por sus características resaltantes: capacidad de actuar como regulador de voltaje, admitir sobrecargas a más del 150%, garantizar aislamiento galvánico.
2. Consideraciones de diseño 2.1. Transformador ferro-resonante
El modelo simplificado del TF se describe partiendo del circuito eléctrico mostrado en la Fig.2 [10]-[11]. Considerando la corriente del inductor iL, el voltaje en el condensador, vo y el flujo _ en el reactor saturado, RS. las ecuaciones de estado son: Malla externa de voltaje:
Aplicando nodos de corriente:
Ecuación de flujo: l i o
di
v
v
dt
=
L
−
L
(1)( )
( )
o L o RSf
dv
i
v
dt
C
RC
n C
f
n i
φ
φ
= −
−
=
(2)8
10
o
v
d
dt
n
φ
=
∗
−
(3)Expresando en forma matricial:
donde
φ
, f (φ
), iL, vi y vo son funciones dependientes del tiempo.Fig.2 Circuito simplificado del transformador ferro-resonante.
2.2. Sincronización de salida
La unidad de control incluye un circuito PLL (sincronismo de fase) que adapta en fase el voltaje producido en el inversor y al generado por la planta eléctrica. De esta manera se previene el dv/dt en la carga cuando se produce la transferencia inversor - planta eléctrica y viceversa. El PLL es de segundo orden con un filtro del tipo:
Junto al detector de fase, el oscilador controlado de voltaje y el amplificador se obtiene la ecuación en el dominio del tiempo:
donde
τ
1,τ
2 son los parámetros del filtro y K es la ganancia efectiva de todos los bloques que conforman el PLL.El diagrama de bloques del PLL se muestra en la Fig.3. Esta unidad acondiciona en fase la señal producida por el inversor con la generada por la planta eléctrica para evitar gradientes de voltaje durante la conmutación en la salida.
Fig.3 Circuito de sincronismo de fase entre el voltaje de salida y el generado por la planta eléctrica.
2.3. Unidad de carga de baterías
El bloque de conversión conectado a la planta eléctrica se emplea como cargador de baterías. El diagrama de bloques se muestra en la Fig.4. El cargador se conforma por un rectificador monofásico semicontrolado, las unidades de regulación para estabilizar el voltaje o la corriente de carga del banco de acumuladores, un control de pendiente para adaptar la salida de estos bloques al generador de pulsos de disparo y el circuito de control de fase, TCA785 de Siemens. Cuando el grupo de acumuladores se encuentra descargado después de operar en un régimen de respaldo, el sistema de control trabaja en modo de control de corriente para limitar la intensidad de descarga del banco de baterías. Cuando el voltaje del grupo se ha incrementado y la corriente disminuye, entra el funcionamiento el regulador de voltaje.
Fig.4 Diagrama de bloques del cargador de baterías usando la planta eléctrica de emergencia.
El tiempo transcurrido para la emisión del pulso de disparo en cada semiciclo de la red es:
( )
81
0
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
10
0
0
L L o o ii
L
i
L
v
v
f
v
C
RC
nC
n
φ
φ
φ
⋅ ⋅ ⋅
−
=
−
+ −
+
(4)( )
2 1(1
)
(1
)
s
F s
s
τ
τ
+
=
+
(5) 2 1 2(1
2)
( )
2( )
o o i o id
d
d
K
K
t
K
K
t
dt
dt
dt
φ
φ
φ
τ
+ +
τ
+
φ
=
τ
+
φ
(6)11
9
10
fir
ref
V
R C
t
V
K
=
(7)Donde R9 y C10 son los componentes para fijar la duración de
la rampa, K y Vref son constantes.
Para un rectificador monofásico semicontrolado se cumple:
Donde Vo = Vbat, es el voltaje promedio en los extremos de la
batería. Convirtiendo el tiempo, tf i r, al valor angular correspondiente al ángulo de disparo se obtiene:
Finalmente, se puede calcular la relación del voltaje promedio de salida en función del voltaje de control a la entrada del TCA785 sustituyendo la ec.9 en la ec. 8 :
donde V11 = Vc como el voltaje de ajuste de control para ajustar
el promedio en la salida del rectificador. Cuando el cargador opera en el modo de corriente, se puede calcular su respuesta en tiempo:
donde Vp es el voltaje fijo para fijar el valor del ángulo mínimo
al voltaje máximo de salida del regulador, Vi, es la diferencia
entre el voltaje de consigna, Vspv, y el voltaje medido de las
baterías, Vbat, R3 / R4, es el factor de ganancia del circuito para
ajustar proporcionalmente el voltaje de salida del convertidor cuando se incremente el voltaje de control. En régimen permanente, cuando el error de estacionario en el regulador se anula, Vi = 0, por tanto la ec.11 se reduce a:
considerando la carga del condensador a un nuevo valor de voltaje que se mantiene constante hasta el momento de producirse una variación del voltaje de salida.
3. Resultados
Los resultados obtenidos demuestran que el sistema opera exitosamente. Algunas de las distintas pruebas realizadas se describen a continuación.
La Fig.5 ilustra el comportamiento del sistema cuando se conecta a su salida una carga inductiva. Como se aprecia en el oscilograma, ambas señales son senoidales. Así se confirma en el análisis espectral ilustrado en la Fig.6. De acuerdo a lo obtenido se aprecia un excelente comportamiento del equipo frente a este tipo de carga usual.
Fig.5 Formas de ondas obtenidas de voltaje y corriente con carga inductiva.
Fig.6 Armónicos en la carga inductiva: corriente (superior)
(
1 cos
)
m oV
V
α
π
=
+
(8) 11 9 108.33
8.33
fir reft
V R C
ms
ms V
K
π
π
α =
=
(9) 11 9 10 031 cos
8.33
m o refV
V R C
V
e
V
K
π
π
−
=
+
(10) 3 9 10 03 4 1 1 1 cos ( 0) 8.33 m o p i o i ref V R R C V V V V t V dt R e V K R C π π − = + + + = + ∫
(11) 3 9 10 03 41 cos
8.33
m o p refV
R
R C
V
V
R
e
V
K
π
π
−
=
+
(12)La Fig.7 agrupa las dos modalidades de carga que permite la plataforma. Mediante planta eléctrica, cuando no gira el alternador que simula la turbina y las baterías están en descarga profunda o por el convertidor dc/dc cuando se recibe energía proveniente del viento. Cuando se detiene el generador eólico y las baterías se encuentran descargadas, entra en funcionamiento la planta de emergencia.
Fig.7. Carga del banco de baterías con capacidad de 14Ah: planta eléctrica (superior) y convertidor dc/dc (inferior). En tanto, la Fig.8 es una gráfica comparativa de la carga del banco de baterías con capacidad de 7 y 14 Ah. El voltaje de carga inicial se inicia en 64 voltios aproximadamente hasta alcanzar 79V como tensión máxima admisible del transformador ferroresonante.
Fig.8 Carga del banco de baterías mediante la planta eléctrica.
Para comprobar experimentalmente la capacidad de respaldo del banco de baterías, se realizaron pruebas con generador detenido, midiendo el tiempo de respaldo para dos tipos de cargas: resistiva 100Ω e inductiva con bancos de acumuladores de 7 y 14 Ah. La capacidad de autonomía del sistema se muestra en la Fig. 9.
Fig. 9. Gráfico comparativo de la capacidad de respaldo con los bancos de baterías a distintos tipos de carga. La respuesta del sistema durante la operación de transferencia entre la salida del inversor y la planta eléctrica se ilustra en la Fig.10. El trazo superior corresponde a la transición de conmutación cuando se desconecta la planta eléctrica para dar paso al inversor. Aunque se produce una caída de voltaje en los extremos de la carga, no se registra un gradiente de tensión pernicioso. Seguidamente se realiza la prueba de conmutación inversa, esto es, salida del inversor por planta eléctrica. Como se puede apreciar, no se observa la transición de voltaje gracias al sincronismo de fase del PLL.
Fig. 10 Comportamiento del sistema durante la transferencia entre el suministro de corriente alterna y la salida del transformador ferro-resonante.
III. CONCLUSIONES
1. La plataforma utilizada es una estrategia que permite incrementar la capacidad de manutención de energía eléctrica en los emplazamientos aislados que son comunes en países en vías de desarrollo, donde se pueda aprovechar la energía del viento y se disponga de plantas eléctricas.
2. Además es un equipo de entrenamiento didáctico para la enseñanza de la aplicación de los sistemas híbridos serie implementados con turbina de viento, plantas diesel y banco de baterías.
3. Se ha puesto en funcionamiento un equipo que integra una electrónica simple y de bajo costo con la ayuda de bloques funcionales.
4. El tiempo de respaldo del sistema depende de la capacidad del banco de baterías y el tipo de carga conectada. 5. La expansión del tiempo de autonomía se logra mediante la conexión de arreglos de baterías serie en paralelo con el banco de acumuladores existente.
6. Debe considerarse la potencia admitida por los semiconductores y el mismo transformador ferroresonante.
7. El sistema permite la utilización de los alternadores de vehículos de 12 ó 24 V que siguen siendo de uso masivo.
IV. REFERENCIAS
1) Avia, F. “Estado de desarrollo tecnológico del aprovechamiento de la energía eólica. Departamento de energías renovables”. Tecnologías energéticas e impacto ambiental. CIEMAT. Madrid, Mc Graw Hill, 2002, pp. 371-381.
2) Martínez, S. “Sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI),
Estado actual y tendencias tecnológicas”. Mundo Electrónico, N° 175, Julio 1987, pp.27-40.
3) Martínez, S. “SAI en espera sin tiempo de transferencia”. Mundo Electrónico, N° 191, Enero 1989, pp.56-62. 4) Fernández, H., Guzmán, V. and Giménez, M. “Design of a three-phase UPS control system using the counter method”. I M A C S - T C 1 , M o n t r e a l , J u l y 1 9 9 3 , p p . 4 2 5 - 4 2 9 . 5) Fernández, H., Martínez, A., Guzmán, V., y Giménez, M. “Sistema de generación para turbina de viento con alternador de 42V y regulador ferroresonante”. Seminario anual de automática y electrónica industrial, Toulouse, Septiembre 2004, págs. 4. 6) Fernández, H., Martínez, A., Guzmán, V., y Giménez, M. “Wind turbine generation system implemented with a car alternator for use in isolated locations”. International conference on renewable energies & power quality, ICREPQ, Barcelona, Mayo 2004, págs. 6.
7) Fernández, H., Martínez, A., Guzmán, V., y Giménez, M. “Sistema de Generación para Turbina de Viento con Alternador de 42V y Regulador Ferroresonante”. IV Congreso venezolano de ingeniería eléctrica, CVIE, Caracas, Septiembre 2004, pp.469-474.
8) Fernández H, Martínez A, Guzmán V y Giménez M. “Sistema de generación con turbina de viento implementado con alternador de vehículo para ser usado en sitios aislados”, Universidad, ciencia y tecnología. Vol.8, No.30, Junio 2004, pp.91-101. 9) Holt. D. “42V Update”. Service tech. magazine. September 2001, pp.1-3.
10) Walk, R., Kakalec, R., and Rootenberg, J. “An analytic and computer study of the jump phenomenon in ferroresonant regulators”. IEEE Transactions on magnetics. September, 1971, pp. 574-577
11) Pacas. J.M. and Schulz M. “Matri converter and convencional schemes in rural power generation systems”. Siegen, November 2002, 5 pp
