Diseño de interfaz de electrónica de potencia para una microred

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Diseño de Interfaz de Electrónica de Potencia para Una Microred. por Leonardo Orozco Mosquera. Trabajo de Proyecto de Grado para aspirar al tı́tulo de Ingeniero Eléctrico. en la Facultad de Ingenieria Departamento de Ingenieria Electrica y Electronica. Enero 2010.

(2) Contents Lista de Figuras. iii. Lista de Tablas. iv. 1 Objetivos 1.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Objetivos Especificos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1 1. 2 Descripción de la Problematica. 2. 3 Marco Teórico y Trabajos Relacionados 3.1 Historia en el Sector Energetico de Estados Unidos . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Las Raices de la Industria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Nuevas Reformas, Epocas Doradas y Problemas Presentados . . 3.2 Desventajas de la Centralizacion Extrema . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Ventajas de los Sistemas de Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Combinación de Calor y Potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Confiabilidad y Calidad de la Potencia (PQR) Heterogenea . . . 3.4 Tecnologı́as de Microgrids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Beneficios Económicos y Ambientales de los Microgrids . . . . . . . . . . 3.5.1 Beneficios de Coordinar Generación Termal y de electricidad y su utilización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Beneficios de la Operación de Aislamiento . . . . . . . . . . . . . 3.6 Estructura General de una Microred . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Futuras Investigaciones en Microredes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 Sistemas Experimentales de Microredes a Escala . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 3 4 4 5 5 6 6 6 8 10. . . . . .. 10 10 11 13 13. 4 Definición y Especificación de la Solución 16 4.1 Definición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.2 Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5 Desarrollo del Diseño 5.1 Plan de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Búsqueda de Información . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Alternativas de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20 20 21 21. 6 Proceso de Simulación de Microredes. 23. i.

(3) Tabla de Contenidos 6.1 6.2. ii. Perfiles de Voltaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Análisis de Formas de Onda en Apertura y Cierre de Interruptores . . . . 26. 7 Diseño de un Prototipo a Escala de una Microred 7.1 Generación Distribuida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Cargas Sensibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 Generación Distribuida para Cargas Sensibles . . . . . . 7.4 Caracterı́sticas Técnicas Importantes a Tener en Cuenta 7.5 Topologı́a de un Posible Sistema a Implementar . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 32 32 33 34 35 36. 8 Conclusiones. 38. 9 Agradecimientos. 40. Bibliography. 41.

(4) List of Figures 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7. Diagrama General de una Microred[1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Confiabilidad y Calidad de la Potencia Homogénea[2] . . . . . . . . . . . Confiabilidad y Calidad de la Potencia Heterogénea[2] . . . . . . . . . . Nivel de Seguridad de una fuente y su grado de redundancia en una red sin (izq.) y con generación distribuida (der.)[3] . . . . . . . . . . . . . . Sistema Potencia de Tecnologias de Microredes[4] . . . . . . . . . . . . . Esquema de Microred de Prototipo a Escala[5] . . . . . . . . . . . . . . Esquema Tentativo de Electronica de Potencia[5] . . . . . . . . . . . . .. 5.1. Cronograma del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8. Sistema (Benchmark ) de Distribución con GD[6] . . . . . . . . . . . . . . Esquemático del Sistema de Distribución Implementado en PSCAD . . . . Perfiles de Voltaje Casos 1 y 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perfiles de Voltaje Casos 4 y 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Perfiles de Voltaje Casos 3 y 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formas de Onda Voltajes Microred #1 en Apertura Breaker A con solo GD Formas de Onda Voltajes Microred #1 en Cierre Breaker A con solo GD . Formas de Onda Voltajes Sistema Completo en Apertura Breaker A con Red Primaria y Activación GD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formas de Onda Voltajes Sistema Completo en Desactivación GD . . . .. 6.9 7.1 7.2 7.3. . . .. 4 7 8. . . . .. 11 12 14 14. 24 25 26 27 27 29 30 30 31. Diagrama de Bloques de Un Sistema de Potencia de Generacion con Microturbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Diagrama de Bloques de un Sistema de Potencia de Generacion con Celdas de Combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Posible Topologı́a de Una Microred a Escala . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. iii.

(5) List of Tables 6.1 6.2 6.3 6.4. Casos de Simulación para Análisis de Perfiles de Voltaje . . . . . . . . . Valores de Sags y Swells para Solo Operación de Red Primaria . . . . . Valores de Sags y Swells para Solo Operación de Generación Distribuida Valores de Sags y Swells para Operación de Red Primaria y Generación Distribuida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. iv. . 25 . 27 . 28 . 28.

(6) Para mis Papás José Abel y Clemencia y Alejandra Niño. v.

(7) Chapter 1. Objetivos 1.1. Objetivo General. Conocer los elementos comprendidos dentro del concepto de una microred, presentar un modelo computacional adecuado con el más alto nivel de detalle por medio de herramientas de software especializadas y exponer un diseño de electrónica de potencia para un posible sistema a escala.. 1.2. Objetivos Especificos. • Presentar las caracterı́sticas regulatorias, técnicas y económicas de las microredes, ası́ mismo los impactos ambientales de estos sistemas para la sociedad. • Diseñar y presentar un sistema de prueba de electrónica de potencia para el modelamiento de una microred por medio de herramientas de software y analizar diferentes casos con la presencia de diferentes fuentes de Generación Distribuida en una topologı́a determinada. • Entregar un esquema de diseño de un prototipo a escala de una microred con elementos de electrónica de potencia y fuentes de Generación Distribuida para estudiar diferentes comportamientos a nivel de perfiles de voltajes y transitorios.. 1.

(8) Chapter 2. Descripción de la Problematica El uso de microgeneración basada en la combinación de calor y potencia (CHP - combined heat and power ) o generación renovable a pequeña escala tiene un potencial significativo para reducir la dependencia de combustibles fósiles como el gas natural o el petróleo[2]. Las Microredes han sido introducidas como una solución de integración de grandes cantidades de microgeneración sin interrumpir la operación de la red de utilidad o generación. A través de una cuidadosa escogencia y coordinación de cargas y microgeneración, la red de distribución tendrá menos problemas que la configuración de red convencional. Un conjunto de microredes podrá hasta proveer servicios auxiliares como el control del voltaje local[7]. Durante fallas inesperadas en la red, las microredes podrán desconectarse potencialmente y continuar su operación de forma autónoma y tiene la capacidad de mejorar la calidad de la potencia del consumidor[8].. Como primera parte del proyecto, se presentarán caracterı́sticas regulatorias, técnicas y económicas de las microredes, al igual que los impactos ambientales por medio de una detallada revisión bibliográfica, que muestra la importancia y la gran utilidad de estos sistemas aplicados a los sistemas de distribución de energı́a actuales a nivel nacional e internacional.. Como segunda parte, se presenta un benchmark a nivel de software con herramientas especializadas de un esquemático de prueba con elementos de electrónica de potencia en conjunto con fuentes de energı́a renovables para este tipo de sistemas. De acuerdo al análisis de los resultados de las simulaciones, se propone un diseño de prototipo a escala con el mayor nivel de detalle con la finalidad de realizar una posible implementación para futuras investigaciones.. 2.

(9) Chapter 3. Marco Teórico y Trabajos Relacionados Las Microredes son ”islas” eléctricas intencionalmente formadas por localización del consumidor que incluye partes del sistema de distribución local que consta de por lo menos de una fuente de energı́a distribuible y sus cargas asociadas[4]. De la figura 3.1 se observan dos tipos de microredes: microred de utilidad que contienen parte de la misma y el otro es el de tipo industrial o comercial que solo incluye estructuras del cliente. Teniendo en cuenta los temas relacionados con electrónica de potencia más la revisión bibliografica realizada, se pretende mostrar como influyen los sistemas y elementos vistos y estudiados durante el curso de electronica de potencia para mostrar las ventajas y desventajas de estos sistemas para una aplicación futura y mostrar como se veran afectados los conceptos de distribución en general y los de generación distribuida en la ingenieria eléctrica. En una microredd, las cargas y fuentes de energı́a pueden ser desconectadas y reconectadas a la normalidad con una disrrupcion minima a las cargas locales o fijas. Existen muchos beneficios significativos para los consumidores al implementar el uso de microgrids ya que permite mejorar la confiabilidad a partir de la distribución de energı́a a la porción aislada del sistema eléctrico resolviendo problemas de calidad de la potencia a través de la reducción de distorsión armónica total a las cargas[7]. Actualmente existen investigaciones considerables con respecto a los microgrids y un numero grande demostraciones de proyectos han sido expuestos internacionalmente. Sin embargo el desarrollo de estos sistemas y proyectos ha sido llevado a cabo de forma independiente. Esta presentación del estado del arte mostrara algunas caracterı́sticas detalladas envueltas en estos sistemas, ventajas económicas y ambientales, tecnologı́as y estándares empleados actualmente para los diferentes desarrollos entre otros.. 3.

(10) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 4. Figure 3.1: Diagrama General de una Microred[1]. 3.1 3.1.1. Historia en el Sector Energetico de Estados Unidos Las Raices de la Industria. El progreso histórico del mercado eléctrico es descrito normalmente basado en el contexto Estadounidense, sin embargo, diversos paralelos pueden ser encontrados en las historias de un gran número de paı́ses. Este mercado inicio en un periodo donde solo se concebı́an sistemas aislados, comenzando cuando Thomas Edison abrió la estación de Pearl Street en Manhattan en 1882[2]. Conociendo que los sistemas eran aislados naturalmente, muchos ingenieros han sugerido que el concepto de microred es retornar a las raı́ces de las primeras topologı́as. Mientras es relativo de que esto sea verdad o no, aunque una microred este aislada, los conceptos modernos generalmente incorporan una conexión ininterrumpida y también la presencia de sistemas dependientes hoy en dia es casi nula. Con la creación de sistemas interconectados a grandes distancias por medio de la corrientes alterna (AC) en Westinghouse en 1896 para proveer fluido eléctrico a Buffalo, Nueva York por medio de una planta de generación hidroeléctrica en las Cataratas del Niagara a 35km de distancia, significo que la época de sistemas completamente aislados duro máximo dos décadas[2]..

(11) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 3.1.2. 5. Nuevas Reformas, Epocas Doradas y Problemas Presentados. Con el paso del tiempo, nuevas legislaciones fueron propuestas para regular el mercado energético, incluyendo la del Nuevo Trato (New Deal) que pretendı́a expandir el acceso al servicio eléctrico, desarrollar proyectos federales y limitar los excesos de utilidades en los sectores privados.Después de la rápida expansión federal en la intervención de asuntos del mercado, la confiabilidad y seguridad de los diversos sistemas aumento significativamente. El rápido crecimiento en la demanda en el periodo de la segunda Guerra Mundial dio paso a una época dorada con creación de aplicaciones domesticas y el consumo aumento de forma exitosa. En la década de los 60s la industria encontró su máximo punto de productividad mientras que al mismo tiempo aparecı́an los primeros problemas en el sector. La demanda por el servicio de energı́a eléctrica crecı́a mas rápido que nunca pero los impactos ambientales y los limites en la eficiencia y confiabilidad desembocaron en el apagón de 1965, dándole fin a la época dorada del mercado energético[9].. 3.2. Desventajas de la Centralizacion Extrema. En la década de los 60s la industria encontró su máximo punto de productividad mientras que al mismo tiempo aparecı́an los primeros problemas en el sector. La demanda por el servicio de energı́a eléctrica crecı́a más rápido que nunca pero los impactos ambientales y los limites en la eficiencia y confiabilidad desembocaron en el apagón de 1965, dándole fin a la época dorada del mercado energético[9]. Diversas opiniones han sido mencionadas sobre las ventajas de la generación a pequeña escala y control local es bueno tener en cuenta y describir los diferentes problemas que han surgido con las redes altamente centralizadas actualmente.. • Restricciones en expansión de sistemas de potencia: La demanda energética continúa su crecimiento en economı́as desarrolladas y las macroredes no son expandibles de forma optima para cumplir con ciertos requerimientos. En Estados Unidos, la demanda se estima que aumenta en un 50% cada 25 años. Las instalaciones necesarias para estaciones generadores, lı́neas de transmisión, subestaciones, etc., serı́a un reto significativo[2]. • Limitaciones del planeamiento del sistema de potencia centralizado: Inclusive cuando la demanda creciente puede ser aguantada por una red a mayor escala, esto no significa que el objetivo pueda ser cumplido en una forma cronológica y organizada. Esto conllevarı́a, a que las inversiones se atrasarı́an con respecto a los.

(12) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 6. crecimientos de las demandas en aproximadamente un cuarto de siglo, por lo tanto la inversión en capacidad de generación serı́a totalmente errática. • Amenazas a un sistema inseguro y no confiable: Preocupaciones y dudas sobre ataques terroristas siempre se tienen presentes en los planes de contingencias lo que significa que este tipo de percances para una red centralizada causarı́a daños a un gran sector del mercado a grandes escalas. • Consecuencias de una infraestructura con interdependencias: El crecimiento de las interdependencias en un sistema con una infraestructura compleja puede ser reconocido como un error significativo. Sistemas de telecomunicaciones modernos sufren daños y fallas en apagones y de la misma forma sistemas son dependientes a las comunicaciones. Desafortunadamente esto también trasciende a transportes y servicios públicos.. 3.3 3.3.1. Ventajas de los Sistemas de Microgrids Combinación de Calor y Potencia. Esta combinación es muy común que ocurra en los microgrids, mientras que el ciclo de eficiencia en una estación central moderna de generación normalmente excede cualquier tecnologı́a disponible a pequeñas escalas, la combinación de calor y potencia (CHP) puede cambiar toda competencia de eficiencia considerablemente[1]. Teniendo en cuenta que es mucho mas conveniente transportar electricidad que calor, colocar generación donde sea atractiva por calor una configuración determinada y que tenga un alto grado de dispersión, ya que una optima dispersión da lugar a que los generadores tengan menor tamaño y sean embebidos de acuerdo a la demanda, como por ejemplo los calentadores domésticos de agua.. 3.3.2. Confiabilidad y Calidad de la Potencia (PQR) Heterogenea. Varios ı́ndices para medir la calidad de la potencia y la confiabilidad son muy utilizadas para cuantificar los niveles del servicio eléctrico. Aunque siempre ocurren eventos perjudiciales para los consumidores y las diferentes propiedades, el deterioro relacionado no se mezcla con estos percances. Esto se debe a desviaciones en las caracterı́sticas principales de la energı́a eléctrica distribuida a la carga en forma de armónicos, desbalances y picos que se deben a fallas en el sistema causados por eventos climáticos o errores humanos entre otros[10]. Mientras que lo pensado en el mundo ideal es difı́cil de plasmar en el práctico, el objetivo para este caso es proveer un nivel apropiado de.

(13) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 7. Figure 3.2: Confiabilidad y Calidad de la Potencia Homogénea[2]. PQR a cada carga del sistema en la macrored o macrogrid[8]. La figura 3.2 muestra un alcance aproximado para la escogencia del objetivo para la adecuación de un modelo económico y un nivel adecuado de PQR. El eje horizontal muestra el incremento en la disponibilidad del servicio en una escala semi-logarı́tmica, mientras que la confiabilidad mas baja aceptable esta en la izquierda y lo cerca de la perfección esta en la derecha. El eje vertical muestra el costo de proveer confiabilidad al consumidor. El costo tiene dos componentes: el costo de la confiabilidad y el costo de la no confiabilidad residual. El punto optimo es claramente donde haya un costo social mı́nimo. Al considerar la pirámide de la figura 3.3 , se ilustra como los diferentes usos de la electricidad pueden ser clasificados de acuerdo a sus requerimientos de PQR. Algunas cargas comunes pueden tener bajos requerimientos y aparecer en la parte baja de la pirámide y viceversa[2]. Otras cargas pueden ser mas complicadas de clasificar como los sistemas de refrigeración..

(14) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 8. Figure 3.3: Confiabilidad y Calidad de la Potencia Heterogénea[2]. 3.4. Tecnologı́as de Microgrids. Los microgrids están compuestos de varias tecnologı́as básicas para su operación que incluyen: generación distribuida, almacenaje distribuido, interruptores de interconexión y sistemas de control[1]. Uno de los retos técnicos es el diseño, aceptación y viabilidad de tecnologı́as de bajo costo para la instalación y uso de los microgrids. Actualmente algunas tecnologı́as están bajo desarrollo para una interconexión seguro para los diferentes objetivos, como se muestra en la figura.. Las unidades de generación distribuida son pequeñas fuentes de energı́a localizadas en el punto de uso o cerca de el. Estas tecnologı́as normalmente incluyen celdas fotovoltaicas, viento, celdas de combustibles, microturbinas y generadores con combustión interna reciproca. Estos sistemas pueden ser alimentados por combustibles renovables o fósiles. Algunas tecnologı́as de generación distribuida requieren una interfaz de electrónica de potencia para poder convertir la red a una potencia AC adecuada. Los elementos de electrónica de potencia deben contener elementos para transformar la potencia de una.

(15) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 9. forma a otra. Estos conversores deben incluir un rectificador y un inversor. El conversor debe ser compatible en voltaje y frecuencia con el sistema de potencia al cual será conectado y contener los filtros de salida adecuados. La electrónica de potencia debe contener funciones de protección para el sistema de distribución y para la red local para permitir desconectar alguno de los dos sistemas. Si no se hace uso de estos elementos el sistema de generación distribuida tendrá un sistema de relés e interruptores para interconectar de forma segura el sistema de distribución[1].. El almacenaje distribuido aplicado a los microgrids son usados donde la generación y sus cargas no puedan ser acoplados de forma exacta. Esto provee un puente en el encuentro de potencia y energı́a con los requerimientos del microgrid. El almacenaje distribuido beneficia el sistema de microgrids de tres formas[1]:. • Estabiliza y permite a las unidades de generación distribuida funcionar a una salida de forma constante y estable sin importar la carga. • Provee y aumenta capacidad de aceptación a variaciones dinámicas de fuentes primarias como el viento, paneles solares o fuentes hidroeléctricas. • Permite concebir a las unidades de generación distribuida como una unidad independiente.. Los interruptores de interconexión son el punto de conexión entre el microgrid y el resto del sistema de distribución. Nuevas tecnologı́as en esta área han consolidado varias funciones de distribución y switcheo que tradicionalmente eran cumplidas por relés y otros componentes de interfaz con un procesamiento digital de señales. Los interruptores de interconexión en los microgrids cumplen los estándares IEEE 1547 y UL 1741 para Norteamérica. Para maximizar las utilidades técnicas y la funcionalidad, los controles también deben ser diseñados para una tecnologı́a neutral y que pueda ser usado con un breaker al igual que interruptores de respuesta rápida como tiristores y IGBT’s[11]. Los sistemas de control en microgrids han sido diseñados para operar el sistema de forma paralela a la red o modos de stand-by. El sistema puede ser basado en un controlador central o embebido compuesto por parte autónomas en cada generador de distribución. Cuando la carga se desconecte de la red, el sistema de control debe controlar el voltaje y la frecuencia, además de proveer el equilibrio necesario en potencia activa y reactiva para proteger la red interna..

(16) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 3.5. 10. Beneficios Económicos y Ambientales de los Microgrids. El desarrollo de los microgrids tiene dos objetivos principales: Primero, proveer una infraestructura que permita y estimule el empleo de fuentes de energı́a renovables a menores escalas y plantas de energı́a de calor para reducir las emisiones de carbono y también el consumo de los costosos combustibles fósiles. Como segundo objetivo, se quiere incrementar la confiabilidad de la demanda para todo tipo de consumidor.. 3.5.1. Beneficios de Coordinar Generación Termal y de electricidad y su utilización. Entre otras fuentes a menor escala, la combinación de calor y potencia se ha tornado en una elección popular para los consumidores quienes utilizan este sistema de forma muy concurrente. Al utilizar la generación con calor simultáneamente con la electricidad, la eficiencia termal puede llegar hasta un 95% comparado con el 65% de un calentador convencional[3]. Claramente con este alto nivel de eficiencia, la opción de implementación de combinación de calor y potencia se torna bastante atractivo.. 3.5.2. Beneficios de la Operación de Aislamiento. Una calidad mejorada en el servicio debido a la operación de aislamiento de la red puede ser percibido por el consumidor debido a la reducción del numero y duración de cortes de energı́a. En el caso de redes de distribución, esta operación de conectar microgeneración a los microgrids puede suministrar energı́a a una porción desconectada de la red. En general, aislar la red esta ligado a un problema de complejidad de requerimientos técnicos y costos involucrados. Sin embargo, para redes no públicas, este aislamiento es usado para mantener la demanda de fuentes de energı́a de alto valor como hospitales e industrias especializadas[12]. Mirando detenidamente los avances en los microgrids, es importante recalcar que el problema de la confiabilidad en el suministro de electricidad se ha convertido en un factor de bienestar económico. En el diagrama de la figura 3.4 , se muestra el nivel de seguridad del suministro y el nivel de redundancia y como para los sistemas de potencia es ilustrado el caso. Se muestra que el nivel de seguridad tiende a decrecer a menores redes de voltaje y además no sorprende que la mayorı́a de interrupciones ocurran en redes de baja y media tensión[13]. Con la generación distribuida, la seguridad puede verse incrementada. El diagrama de la figura 3.4 en la derecha muestra la contribución de la generación distribuida en aislamiento de la red. De esta forma.

(17) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 11. Figure 3.4: Nivel de Seguridad de una fuente y su grado de redundancia en una red sin (izq.) y con generación distribuida (der.)[3]. el concepto de microgrid tiene mas capacidad de mejorar la seguridad y la calidad en niveles bajos de tensión.. 3.6. Estructura General de una Microred. Una estructura general de una microred se pueden ver en la figura 3.5. No todos los elementos del sistema necesitan ser usados al mismo tiempo y la combinacion de posibles elementos es criterio del diseñador. Además de una cuidadosa escogencia de elementos fı́sicos también se requieren programas de software especializados para controlar el voltaje y los flujos de potencia para prevenir comportamientos inesperados en la red. La interfaz de interconexión para la red de alimentación es en la mayorı́a de los casos un interruptor automático electro-mecánico, aunque interruptores de estado sólido e inversores (AC/DC/AC) han sido propuestos como posibles soluciones para mejores resultados[4]. Alguna forma en la cual puede ocurrir absorción e inyección de energı́a es requerida para balancear los flujos de carga en una microred en modo de aislamiento. En otros casos más sofisticados, el almacenaje de energı́a puede ser usado para controlar la potencia.

(18) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 12. Figure 3.5: Sistema Potencia de Tecnologias de Microredes[4]. neta desde y hacia la red interconectada, permitiendo a la microred tener un comportamiento ”ejemplar”, siendo capaz de asistir en una red estable suministrando calidad de la potencia y control de voltaje entre otros. Las caracterı́sticas de las cargas y la microgeneración determinan los requerimientos para el almacenaje de energı́a y la calidad de la potencia. En la mayorı́a de los casos de estudio, la adición de elementos de electrónica de potencia a diferentes elementos del sistema añade controlabilidad e incrementa la velocidad de respuesta de una unidad. Almacenamiento de energı́a a nivel local en conjunto con una interfaz de electrónica de potencia aumenta el nivel de robustez[8]. En las cargas también puede ser beneficioso la presencia de elementos de electrónica de potencia ya que puede potencialmente usarse para consumo variable continuo por cargas no crı́ticas. Sin embargo, existen desventajas por la presencia de estos elementos, como el potencial crecimiento en la inyección de armónicos que puede resultar perjudicial para elementos sensibles en casos de contingencias.. Claramente el estudio de la coordinación de cargas y microgeneración en estado estable es un tema importante de estudio, sin embargo el comportamiento transitorio tiene requerimientos de operación semiautónoma que determinan costos adicionales de una microred convencional en el área de la generación distribuida. Un ejemplo de este comportamiento es el control y el tipo de respuesta del sistema cuando se opera en modo de.

(19) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 13. aislamiento. A continuación se muestran propuestas importantes dependiendo en como logran la estabilidad transitoria deseada. • ”Prime Mover” Virtual: En este esquema un controlador central toma muestras de variables de estado de la microred y manda señales a todas las micro-fuentes usando comunicaciones rápidas y precisas. Este valor agregado crea una unidad de suministro virtual que domina y controla el comportamiento de la red. • ”Prime Mover” Fı́sico: Es una unidad de hardware de gran tamaño, sirve ya sea para almacenaje o generación, es controlada para manejar flujos de potencia transitorios y graduar magnitud de voltaje y frecuencia para balancear potencias real y reactiva en modo de aislamiento. El principal inconveniente es el costo de la unidad central y la dificultad del dimensionamiento de la unidad teniendo en cuenta que siempre hay problemas y contingencias en el futuro. • Control Distribuido: Cada unidad responde a una variación local de las diferentes variables de estado, tı́picamente voltaje y frecuencia. Un controlador central mandara señales para variar los puntos óptimos de estado estable o nominales, pero por motivos de redundancias, el control local determina el comportamiento en estado estable o transitorio.. 3.7. Futuras Investigaciones en Microredes. • Investigacion de desarrollo a escala completa, evaluacion de comportamiento de control de frecuencia y voltaje bajo diferentes metodos de operacion de un sistema[14]. • Transicion entre estados de la red: conectada y aislada. Interaccion de fenomenos entre distribucion de generacion y penetracion de generacion distribuida[14]. • Analisis de apagones en un sistema no balanceado de control, protecciones y calidad de la potencia. • Transformacion de una microred a un sistema inteligente, robusto de despacho de energia que en futuro provea una grado significativo de confiablidad y beneficio de seguridad[14].. 3.8. Sistemas Experimentales de Microredes a Escala. La composición de una posible topologı́a para una microred se muestra en la figura 3.6. Es un sistema modular con generación fotovoltaica como fuente primaria de energı́a..

(20) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 14. Figure 3.6: Esquema de Microred de Prototipo a Escala[5]. Figure 3.7: Esquema Tentativo de Electronica de Potencia[5]. Las fuentes de microgeneración tiene una interfaz de electrónica de potencia monofásica compuesta por inversores DC/AC con elementos de modulación por ancho de pulso (PWM)[5]. Un banco de baterı́as también está incluido, interconectado con el sistema AC por medio de una fuente de voltaje bidireccional con PWM.. Cuando el sistema está conectado a la red primaria de distribución, las cargas local reciben energı́a tanto de la red como de las fuentes de microgeneración. En caso de.

(21) Marco Teorico y Trabajos Relacionados. 15. interrupciones en la red, la microred empieza a operar en modo de aislamiento subsecuentemente mientras se estabiliza la red primaria.. El componente principal del sistema de microred es el inversor interconectado con el banco de baterı́as, ya que regula el voltaje y la frecuencia de operación en modo de aislamiento y que a la vez toma el control de los suministros de potencias activas y reactivas. El esquema de electrónica de potencia de la figura 3.7 consiste en un conversor DC/DC tipo Cuk y un inversor con fuente de voltaje PWM, ambos bidireccionales permitiendo la carga y descargas de las baterı́as. El conversor DC/DC suministra un voltaje constante de 380 V a la entrada del inversor. Esta topologı́a bidireccional permite tener capacidades de buck y boost en el sistema, ya que esto es requerido debido a las grandes variaciones de voltaje en las baterı́as[15][16]. Finalmente el inversor con capacidad de operación en los cuatro cuadrantes interactúa con el puente de dispositivos IGBT, filtros de salida y armónicos e inductores de conexión a la red primaria..

(22) Chapter 4. Definición y Especificación de la Solución 4.1. Definición. Una descripción detallada de las distintas tecnologı́as de microredes incluyendo sus arquitecturas y componentes. Además se hará una revisión bibliográfica de la normatividad, estándares aplicables, modelos económicos, detalles ambientales, regulatorias y modelos a escala patentados entre otros. El proyecto consiste en mostrar un sistema a nivel computacional con herramientas especializadas de sistemas de potencia donde se presentará una microred con diversas fuentes de energı́a renovables y dispositivos de electrónica de potencia. El problema a tratar, consiste en presentar una topologı́a de un sistema de distribución de media a baja tensión de tipo radial donde se simularán diversos casos donde la red actual de forma parcial o total y sin forma de microred. Posteriormente se mostrarán nuevos casos donde estará presente la generación distribuida y como estas nuevas implementaciones mejoran notablemente los perfiles de voltaje en estado estable.. Se realizarán mediciones aproximadas de sags y swells de voltaje en una serie de casos donde la red cambia e incluye fuentes de generación distribuida en su operacion regular y cuando tiende a desconectarse de la red primaria de media tension. Como parte final, se presentara un diagrama en bloques de una posible topologı́a de microred para pruebas a escala de laboratorio.. 16.

(23) Definicion y Especificacion de la Solucion. 4.2. 17. Especificaciones. El sistema a implementar a nivel computacional es un caso de estudio de un sector residencial[6]. Las especificaciones del sistema se ven a continuacion, al igual que los aspectos tecnicos de las fuentes de generacion distribuida. La topologı́a del sistema se mostrará posteriormente al describir con mas detalle la caracterización de la solución.. 1. Lı́nea de Media Tensión a 20kV 2. Transformador de Media a Baja Tensión (a) 20/0.4kV, 50Hz, 400kVA (b) Conexión ∆/Y (Sólidamente Aterrizado - 3 ohmios) (c) Sin Carga presenta Cambiador de Tomar (Tap) Central de 5 pasos de 19-21kV (d) Reactancia: 4% y Grupo de Conexión Dyn11 3. Cargas del Sistema (a) (2) Consumidores Residenciales Individuales i. Acometida de 5 Conductores: 3 Fases, Conductor Neutro y Puesta a Tierra de Protección ii. Corriente Nominal: 40 Amperios iii. Potencia Aparente Máxima: 15kVA iv. Potencia Aparente Mı́nima: 5.7kVA (b) (1) Grupo de 4 Residencias i. Acometida de 5 Conductores: 3 Fases, Conductor Neutro y Puesta a Tierra de Protección ii. Corriente Nominal: 40 Amperios iii. Potencia Aparente Máxima: 50kVA iv. Potencia Aparente Mı́nima: 23kVA (c) (1) Edificio de 6 Apartamentos i. Acometida de 5 Conductores: 3 Fases, Conductor Neutro y Puesta a Tierra de Protección ii. Corriente Nominal: 40 Amperios iii. Potencia Aparente Máxima: 47kVA iv. Potencia Aparente Mı́nima: 25kVA (d) (1) Edificio de 8 Apartamentos.

(24) Definicion y Especificacion de la Solucion. 18. i. Acometida de 5 Conductores: 3 Fases, Conductor Neutro y Puesta a Tierra de Protección ii. Corriente Nominal: 40 Amperios iii. Potencia Aparente Máxima: 72kVA iv. Potencia Aparente Mı́nima: 57kVA (e) Posible conexión a otra red de baja tensión (f) Otras cargas existentes lejanas a la microred 4. Puestas a Tierra (a) (10) Conexiones de puesta a tierra de 40 ohmios (b) (2) Conexiones de puesta a tierra de 10 ohmios 5. Fuentes de Energı́a Renovables (a) Microturbinas i. Sistema Trifásico de 30kW ii. Emplea un Conversor AC-AC (b) Sistema Fotovoltaico #1 i. Sistema Monofásico de 3kW ii. Emplea un Conversor DC-AC (c) Sistema Fotovoltaico #2 i. Sistema Monofásico de 10kW (4 x 2.5kW) ii. Emplea un Conversor DC-AC (d) Sistema de Celdas de Combustible i. Sistema Trifásico de 10kW ii. Emplea un Conversor DC-AC (e) Sistema de Energı́a Eólica i. Sistema Trifásico de 10kW ii. Sistema AC-DC/DC-AC 6. (1) Unidad de almacenaje distribuido (baterı́as) (a) Sistema Trifásico (b) Capacidad de Almacenaje: 30kW (c) Emplea un Conversor DC-AC 7. (2) Interruptores Automáticos (Breakers) para aislamiento de la microred con respecto a la red de distribución de baja tensión..

(25) Definicion y Especificacion de la Solucion. 19. Para la ejecución de las diferentes simulaciones se hizo uso del programa especializado en sistemas de potencia PSCAD (Power System Computer Aided Design) donde se mostrarán los diferentes sistemas de electrónica de potencia, cargas y la red de distribución en general..

(26) Chapter 5. Desarrollo del Diseño 5.1. Plan de Trabajo. El cronograma planeado junto con el asesor y coasesor del proyecto es mostrado en la figura 5.1. Como se aprecia en la figura 5.1, la primera parte del proyecto consiste en realizar una revisión del estado del arte con temas relacionados que permitan un mayor entendimiento en ciertos temas del proyecto; parte a la cual fue destinada un tiempo de 15 dı́as (hábiles). La segunda parte consiste en el ensamblaje a nivel de software de una microred tomada de [6]. Donde primero se definió la clase de prototipo de tratar y simular y luego que fuentes de generación distribuida serı́an tomadas en cuenta, como serı́an modeladas y finalmente que dispositivos de electrónica de potencia serı́an utilizados. Luego se analizarı́an los resultados a nivel de perfiles, sags y swells de voltaje. La parte final consiste en entregar un diagrama de bloques de una posible topologı́a a escala de una microred con fuentes de generación distribuida y los elementos de electrónica de potencia necesarios para poder realizar pruebas de alta calidad y óptimos resultados en el laboratorio. Diseño basado en las investigaciones relacionadas que hacen parte de la revisión bibliográfica. Con respecto a los entregables, en la fecha lı́mite del 30% se hara entrega del primer avance del proyecto en formato IEEE. También queda dentro del plan de trabajo la entrega del informe dos, sin embargo este es de caracter opcional. De igual forma, en las últimas semanas de clase será la entrega de los documentos finales (informe y artı́culo) al igual que la presentación de la sustentación.. 20.

(27) Desarrollo del Diseno. 21. Figure 5.1: Cronograma del Proyecto. Las reuniones con el coasesor Gustavo Ramos se realizan cada dos o tres semanas según los temas y resultados a tratar para realizar observaciones, comentarios y sugerencias con el fin de obtener y presentar los mejores resultados.. 5.2. Búsqueda de Información. La revisión del estado del arte del proyecto y la información adicional que aportaron contribuciones significantes al desarrollo proyecto, fue tomada de trabajos de trabajos desarrollados anteriormente relacionados con los aportes de las microredes en los sistemas de potencia. Las fuentes de información para recopilar toda la información que permitió un exitoso desarrollo del proyecto fueron las bases de datos de IEEE Explore disponibles en los recursos electrónicos de la biblioteca de la Universidad de los Andes, las revistas IEEE Power & systems y Proyectos de Grado realizados por estudiantes de la Universidad.. 5.3. Alternativas de Diseño. El objetivo principal en la implementación a nivel de software es el de tratar de mostrar casos de perfiles de voltaje y formas de onda en un sistema de microredes. Para presentar de mejor manera los resultados y la gran diversidad de comportamientos a nivel de estado estable y transitorio se implementaron cinco fuentes diferentes de generacion distribuida.

(28) Desarrollo del Diseno. 22. diferentes: energia eólica, paneles solares, bancos de baterias, celdas de combustible y microturbinas. Por lo tanto al implementar diferentes tipos de fuentes, se tendran varios tipos de interfaz de electrónica de potencia y fuentes de energia de generación distribuida con diferentes capacidades que hacen del sistema implementado en terminos generales, adecuado para los objetivos del proyecto..

(29) Chapter 6. Proceso de Simulación de Microredes En la figura 6.1 se presenta un modelo de simulación de microredes de baja tensión con diferentes fuentes de energı́a renovables, cargas y elementos de electrónica de potencia, mientras que en la figura 6.2 se muestra el modelo computacional implementado en PSCAD. Esto representa un sistema ideal que permite realizar diferentes estudios y analizar los diversos fenómenos a nivel transitorio y en estado estable. Los aspectos a resaltar en primera instacia son el análisis de los perfiles de voltaje en las cargas cuando se está conectado a la red primaria, para luego interactuar a la vez con GD. Posteriormente se comparan estos resultados con el sistema en operación alimentado unicamente por las fuentes de microgeneración con el propósito de demostrar el aporte de la GD en los sistemas a pequeña escala. De igual forma, se estudian casos donde la red opera de forma parcial y total en la que ocurren cambios instantáneos de caracter transitorio. El esquema presentado consiste en un sistema de distribución radial de media a baja tensión (20/0.4kV) con cinco cargas de tipo residencial. Cercanos a las mismas hay fuentes de generación distribuida como microturbinas, celdas de combustible, energia eólica, fotoceldas y bancos de baterı́as. Con propósitos de protección y pruebas de operacion en aislamiento, están presentes dos interruptores automáticos (breakers) que permiten simular distintos casos de operación de la red con y sin generación distribuida.. 23.

(30) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. 24. Figure 6.1: Sistema (Benchmark ) de Distribución con GD[6]. 6.1. Perfiles de Voltaje. Para este estudio se decidió tomar casos diferentes basados en los posibles estados de la red de acuerdo a los interruptores automáticos. De acuerdo con la tabla 6.1 se obtuvieron 6 casos basados en tres posibles estados de la red teniendo en cuenta que los casos marcados con N/A representan casos que no aplican al estudio. El Breaker A corresponde al interruptor más cercano a la fuente que aisla completamente a la red primaria en caso de apertura. Por su parte, el Breaker B es el más lejano a la fuente y es el que aisla parcialmente la red de baja tensión..

(31) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. Figure 6.2: Esquemático del Sistema de Distribución Implementado en PSCAD. Table 6.1: Casos de Simulación para Análisis de Perfiles de Voltaje. Breaker Con 2 Breakers Cerrados Breaker A Abierto Breaker B Abierto Breaker A y B Abiertos. Sin GD Caso #1 N/A Caso #4 N/A. Con GD Caso #2 Caso #3 Caso #5 Caso #6. Solo GD N/A Caso #3 Caso #6 Caso #6. 25.

(32) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. 26. Figure 6.3: Perfiles de Voltaje Casos 1 y 2. Las figuras 6.3, 6.4 6.5 muestran los resultados de los casos simulados. La figura 6.3 muestra los casos simulados (con y sin GD) cuando ambos interruptores se encuentran cerrados. En el caso 2 se observa claramente el incremento de voltaje al operar la red primaria al mismo tiempo con la GD, lo que compensa las pérdidas por conductores especialmente en las cargas más lejanas a la interfaz de conexión de la red primaria. Por otra parte, los casos 3 y 6 (figura 6.5) tienen en común el estado de apertura del breaker A, donde el sistema opera unicamente con la generación distribuida debido a la desconexión de la red primaria. De igual forma el caso 6 presenta perfiles mayores teniendo en cuenta que el estado de apertura del interruptor B hacer que haya menos carga conectada en total, con respecto a tener una sola red. Finalmente los casos 4 y 5, mostrados en la figura 6.4 de mayor sencillez muestran los voltajes en las cargas en apertura del breaker B con y sin GD. De igual manera que en los casos 3 y 6, al tener las fuentes alternativas a la vez con la red primaria, estos presentan mayor magnitud en estado estable.. 6.2. Análisis de Formas de Onda en Apertura y Cierre de Interruptores. Para esta parte del análisis, tal como se evidencia en la tabla 6.1 se tomaron casos en los que se dividen los tres posibles estados del sistema en operación total y parcial de la red. El objetivo es analizar las magnitudes de sags y swells en el momento de apertura.

(33) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. Figure 6.4: Perfiles de Voltaje Casos 4 y 5. Figure 6.5: Perfiles de Voltaje Casos 3 y 6. Table 6.2: Valores de Sags y Swells para Solo Operación de Red Primaria. Carga 1 2 3 4 5. Breaker A Apertura Cierre N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A. Breaker B Apertura Cierre 22.68 21.64 45.12 21.45 N/A N/A N/A N/A N/A N/A. 27.

(34) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. 28. Table 6.3: Valores de Sags y Swells para Solo Operación de Generación Distribuida. Carga 1 2 3 4 5. Breaker A Apertura Cierre N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A N/A. Breaker B Apertura Cierre 58.17 −93.30 −19.37 −51.07 −65.66 101.07 −78.26 98.93 1.48 −10.01. Table 6.4: Valores de Sags y Swells para Operación de Red Primaria y Generación Distribuida. Carga 1 2 3 4 5. Breaker A Apertura Cierre −192.10 −27.93 −124.90 −43.15 −88.63 −61.88 −129.20 −4.93 −138.79 12.46. Breaker B Apertura Cierre 218.69 −105.05 187.17 −45.09 144.03 −101.92 138.82 −52.80 129.73 −45.91. y cierre de los interruptores, además de observar las formas de onda que permitan entender la manera en que se generan los fenómenos transitorios; sin embargo esto no está incluido en la presente investigación. Las tablas 6.2,6.3 y 6.4 presentan los valores de sags y swells para los diferentes casos y cargas en el sistema. De igual forma que en el análisis de perfiles de voltajes, los casos marcados con N/A no son de aplicación para el estudio.. Los valores positivos en las tablas 6.2,6.3 y 6.4 (con magnitudes en voltios) corresponden a valores pico de swells de voltaje mientras que los negativos corresponden a sags o atenuaciones. De los valores obtenidos se observa que las magnitudes de los voltajes tanto en apertura como cierre de interruptores aumenta cuando la red opera simultaneamente con las fuentes de GD, especialmente en el Breaker B que presenta subidas notables de voltaje aislando solamente la microred inferior del sistema. Para los otros dos casos no existe aplicación en la medición de estos fenómenos y las magnitudes no se logran consolidar como significativas cuando se aislan las dos microredes.. Para las formas de onda se simularon todos los casos posibles de cierre y apertura de los interruptores. La figura 6.6 muestra las ondas de voltaje para la microred #1 donde solo está presente GD y la apertura del interruptor B en 1.5 segundos. Se observa que el voltaje aumenta ya que ambas islas estan operando en modo de aislamiento total. Igualmente, la figura 6.7 muestra el caso contrario donde se presenta el cierre del mismo interruptor en 2.2 segundos y se observa claramente la atenuación del voltaje en la red.

(35) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. 29. Figure 6.6: Formas de Onda Voltajes Microred #1 en Apertura Breaker A con solo GD. #1 en un periodo corto de tiempo.. Para el segundo caso, de análisis de formas de onda, se realizó el caso de operación de la red principal en conjunto con GD. La figura 6.8 muestra como en 1.5 segundos las cargas se desconectan totalmente de la red de distribución regular y después de un instante de tiempo se activan las fuentes de generación distribuida. Finalmente la figura 6.9 muestra el estado de operación de la red y GD, y como en 7.5 segundos los interruptores de GD se abren para que la red opere en su totalidad de manera regular..

(36) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. Figure 6.7: Formas de Onda Voltajes Microred #1 en Cierre Breaker A con solo GD. Figure 6.8: Formas de Onda Voltajes Sistema Completo en Apertura Breaker A con Red Primaria y Activación GD. 30.

(37) Proceso de Simulación de Microredes Proceso de Simulación de Microredes. Figure 6.9: Formas de Onda Voltajes Sistema Completo en Desactivación GD. 31.

(38) Chapter 7. Diseño de un Prototipo a Escala de una Microred El objetivo de esta sección del proyecto, está centrada en la investigación de sistemas con fuentes de generación diferentes a las convencionales, en las que también se involucra el almacenaje distribuido que le da un valor agregado a la energı́a eléctrica que llega a los consumidores. Acerca de las ventajas presentadas por estos sistemas, cabe resaltar elementos como, la disminución del costo de distribución de energı́a, el control del voltaje local y el aumento de la confiabilidad. Ası́ mismo, existe tambien la particularidad de un sistema enfocado en generación distribuida que pueda contener una red conectada a un sistema de distribución principal que permita cambiar a modo en aislamiento sin afectar cargas sensibles y crı́ticas. La presencia de elementos de electrónica de potencia, en sistemas de generación distribuida, como celdas de combustible, celdas fotovoltaicas, microturbinas y tecnologı́as de almacenaje generan un panorama alentador con respecto a las fuentes sı́ncronas convencionales en sistemas de potencia comunes y de emergencia.. 7.1. Generación Distribuida. Generación Distribuida a pequeña escala y sus tecnologı́as tales como microturbinas, celdas fotovoltaicas y celdas de combustible han ganado un interés significativo dados los rápidos avances tecnológicos. La implementación de estas unidades de generación en redes de distribución pueden potencialmente disminuir el costo de la energı́a y su despacho al localizar las fuentes de energı́a más cercanas a los centros de demanda. Las magnitudes comunmente implementadas oscilan entre 1kW hasta 2MW[10].. 32.

(39) Diseno de un Prototipo a Escala de una Microred. 33. Figure 7.1: Diagrama de Bloques de Un Sistema de Potencia de Generacion con Microturbinas. Figure 7.2: Diagrama de Bloques de un Sistema de Potencia de Generacion con Celdas de Combustible. El mejor ejemplo de efectividad y costo de generación distribuida a pequeña escala consiste en una microturbina a gas en un rango de 25 a 100kW para una producción en masa. Además, está diseñado para combinar generadores con una alta confiabilidad, tal como se muestra en la figura 7.1. Celdas de combustible, también son de gran adaptación para las aplicaciones de GD ya que estas ofrecen alta eficiencia y un nivel bajo de emisiones, teniendo en cuenta que actualmente, estas presentan grandes consecuencias ambientales. Cabe resaltar, que celdas de ácido fosfórico están disponibles comercialmente en valores de hasta 200kW, y que actualmente se realizan investigaciones para el desarrollo de celdas de óxido sólido y de carbonato. Un diagrama de bloques de un sistema de potencia de generación basado en celdas de combustible es mostrado en la figura 7.2. La conversión primaria de energı́a convierte el combustible en energı́a DC. En este caso, de un esquema con microturbinas, el inversor realiza una conversión DC/AC de carácter trifásico. Una de las caracterı́sticas principales en la topologı́a general de los elementos de la GD es la conexión entre los dispositivos conversores DC/AC y las fuentes de energı́a primarias hacia la microred.. 7.2. Cargas Sensibles. Desde hace unos años, un gran número de industrias han comenzado a implementar equipos de alta precisión como robots y herramientas de automatización para diversos procesos que han permitido mejorar la calidad de un gran numero de productos que salen a los mercados. Este tipo de cargas pueden clasificarse como cargas crı́ticas o sensibles también. Para poder llegar a estos logros, se ha dependido mucho de equipos electrónicos.

(40) Diseno de un Prototipo a Escala de una Microred. 34. que pueden ser desactivados de forma inesperada bajo contingencias y aunque ante la presencia de picos de voltaje y armónicos tienen un comportamiento aceptable gracias a su alto nivel de robustez. La mayorı́a de los inconvenientes ocurren porque estos procesos no mantienen precisión en el control por falta de estabilidad en los voltajes que pueden llegar a tener duración de hasta más de dos ciclos. Por ejemplo, dos ciclos de falla en un motor pueden causar reducción en la velocidad y hasta aumentar la magnitud de la potencia reactiva. El resultado final es el incorrecto funcionamiento de los equipos y costos altos de mantenimiento. Presentando algunas de las formas como pueden ocurrir fallas o algún fenómenos que afecte las cargas sensibles, muchos consumidores han tomado medidas instalando Fuentes de potencia ininterrumpidas (UPS) para afrontar situaciones de contingencias. Estos dispositivos convierten energı́a de los sistemas de distribución a DC, que es almacenada en grandes bancos de baterı́as y luego transformada nuevamente a AC para suplir a los equipos. Una desventaja importante es el alto costo ya que la adquisición de equipos es de gran valor además que el costo de operación es elevado por las pérdidas que también se pueden llegar a presentar.. Una nueva alternativa para estos inconvenientes ha sido la clasificación de la energı́a en convencional y de alta calidad pero han tenido poco éxito ya que estas opciones no ofrecen alternativas de integración que desarrollen soluciones para cargas sensibles. Investigaciones recientes han mostrado que hay un alto grado de concordancia entre las capacidades de generación distribuida y las demandas de cargas sensibles para dar solución a estos problemas.. 7.3. Generación Distribuida para Cargas Sensibles. Como se menciono anteriormente, los sistemas UPS y dispositivos comunes de potencia han permitido llegar a acercamientos de distribución de alta confiabilidad a centro de cargas crı́ticas. Estos sistemas ininterrumpidos usan almacenajes de energı́a para proveer servicios especializados. A su vez los sistemas comunes de potencia ayudan a controlar contingencias relacionadas con el voltaje y emplean un inversor, que inyecta potencia reactiva en el sistema para proveer la corrección pertinente. El método más empleado es el de inyectar corriente reactiva tipo shunt o voltajes en serio. Estas topologı́as son efectivas contra picos de voltaje ocasionados por fallas instantáneas o cargas no balanceadas.. En un principio, era claro que la generación distribuida podı́a aumentar la confiablidad y la calidad de la potencia al permitir que la fuente estuviera cerca a la carga. Esto.

(41) Diseno de un Prototipo a Escala de una Microred. 35. proveer un voltaje más estable en las cargas durante la generación de perdidas por las UPS en la red de distribución. A nivel más sutil, la interfaz de electrónica de potencia encontrada en todas las fuentes de generación distribuida, tienen el potencial para controlar cambios bruscos de voltaje e imbalances.. Igualmente, a través de la apropiada implementación de funciones de control e integración en sistemas de almacenamiento de energı́a, dispositivos de generación distribuida pueden ser diseñados para proveer funcionalidades adicionales, superiores a las de las UPS y otros elementos comúnmente usados. Se suministra un servicio más robusto con protección para caı́das de voltaje monofásicas. Sin embargo estos dispositivos de última tecnologı́a no han podido sacear estas funcionalidades en su totalidad, lo que lleva a concluir que es necesario aplicar técnicas de diseño especializadas para integrar almacenaje y micro generación para brindar una alta funcionalidad y demostrarlas en prototipos a escala antes de hacerlo en sistemas reales, objetivo principal de esta parte del proyecto.. 7.4. Caracterı́sticas Técnicas Importantes a Tener en Cuenta. Los sistemas de generación distribuida son diferentes a los convencionales centralizados; la diferencia radica principalmente en sus tecnologı́as de distribución y despacho empleadas. Celdas de combustible y dispositivos de almacenamiento no tienen partes removibles y están conectadas a las redes por medio de elementos de electrónica de potencia. Por otra parte, las microturbinas tienen partes removibles de bajo peso y tienen igualmente interconexiones electrónicas. Las diferentes respuestas dinámicas de los dispositivos con ausencia de inercia no tienen forma de ser modelados como simples unidades de una estación central. El mayor problema a nivel dinámico radica en el hecho de que las microturbinas y las celdas tienen una respuesta lenta y carecen de inercia[17]. Es importante tener en cuenta que los sistemas de potencia tienen su capacidad de almacenaje en los componentes inerciales de los generadores. En casos donde una nueva carga forma parte de alguna lı́nea, la energı́a inicial de balance es satisfecha gracias a la inercia total del sistema. Un sistema con un conglomerado de microgeneración puede ser diseñado para operar en modo de aislamiento y proveer alguna forma de almacenaje para suministrar el balance inicial de energı́a, es decir una inercia virtual. Es esencial tener un óptimo control del triángulo de potencia y los niveles de voltaje para poder tener buenas respuestas de los diferentes inversores. El control sobre la frecuencia de los inversores permitirı́a manejar igualmente el flujo de potencia en el sistema[18]. Finalmente, para prevenir sobrecargas en un inversor y en fuentes de generación, es importante tener en cuenta la capacidad.

(42) Diseno de un Prototipo a Escala de una Microred. 36. de estos dispositivos para soportar cambios anticipados. El control de los inversores empleados para suministrar potencia a un sistema AC en un sistema de distribución debe basarse en información disponible del mismo. De la misma forma en un sistema con varias fuentes de microgeneración, la comunicación de información entre sistemas representa una pobre aplicación de la práctica, ya que cada fuente deber ser independiente de la otra. Lo esencial en estos casos, es la implicación que se debe tener sobre el control de los inversores, los cuales deberán ser basados en cantidades disponibles y óptimas.. Mas del 90% de los cambios bruscos de voltaje en las lı́neas de interconexión que se presentan, son de carácter monofásico ocasionadas por fallas lı́nea-tierra en sistemas de distribución. Por lo tanto, la estrategia de control de un inversor debe cumplir todos los requisitos que le permita operar en red y aislamiento en caso de desbalances residuales que se puedan llegar a presentar[19].. Cuando múltiples unidades están conectadas en paralelo en un mismo lugar, formando una microred los inversores individuales deben ser capaces de compartir potencia activa y reactiva de una forma previamente establecida.. 7.5. Topologı́a de un Posible Sistema a Implementar. Un esquemático en bloques se puede apreciar en la figura 7.3. El sistema tiene como caracterı́stica principal, presentar una cantidad importante de elementos flexibles adaptables, ası́ como una variedad de cargas para estudio de operación de sistemas en diferentes circunstancias.. El sistema de prueba incluye sistemas experimentales, como el sistema de distribución regular de baja tensión, transformadores acoplados de GD, posibilidad de operación en aislamiento, cargas como motores de inducción, cargas ajustables y sensibles, entre otras..

(43) Diseno de un Prototipo a Escala de una Microred. Figure 7.3: Posible Topologı́a de Una Microred a Escala. 37.

(44) Chapter 8. Conclusiones En el desarrollo de esta investigación se ha llegado a observar que las Microredes son una nueva forma de distribución de energı́a en baja tensión que aumentan la confiablidad del sistema, gracias a la capacidad de operar con o sin la red, alimentando las distintas cargas en todo momento. Este aumento en la confiabilidad es gracias al uso de dispositivos de electrónica de potencia, que permiten el control de la microred y su correcto funcionamiento con la red de media tensión, ası́ como el control de la calidad de la potencia, el voltaje y la frecuencia de los generadores distribuidos. Otra razón para el aumento de la confiabilidad, es la implemantación de generadores ubicados en las cercanı́as de la cargas y/o generadores de pequeñas capacidades o microgeneradores, que hacen posible mantener las cargas aún cuando hay una falla en la red de media tensión, o simplemente se desea operar con cualquier tipo de fuente de alimentación.. Al tener fuentes de energı́a ubicados en las cercanı́as de las cargas, se hace posible suministrar energı́a, inclusive en condiciones crı́ticas como fallas o salidas de la red. Actualmente existen impedimentos por resolver, como el establecimiento de los requisitos de conexión para las microredes en Colombia, ya que se necesita un riguroso control sobre variables como la frecuencia, voltaje y calidad de la potencia, que aseguren un correcto funcionamiento del sistema estando conectado a la red u operando de manera aislada.. En cuanto a la generación distribuida, el uso de nuevas fuentes de energı́a no se han caracterizado en su totalidad y no se puede prever la función de producción de los generadores. Esto se debe a el comportamiento de recursos como la luz solar y el viento, los cuales no se pueden anticipar. La utilización de generadores que usan recursos renovables para proveer energı́a pueden ser útiles desde diversos puntos de vista, como el 38.

(45) Conclusiones. 39. ambiental (reducción de emisiones de gases de efecto invernadero), el económico (utilización de recursos renovables) entre otros beneficios. De esta manera se pueden ver ciertos beneficios, como la estabilidad del sistema, la confiabilidad y la robustez entre otros. La presencia de elementos de electrónica de potencia siempre aportaran presencia de armónicos que serán inyectados a la red, lo que implica la existencia de una necesidad continua de implementar filtros o dispositivos especiales para reducir este efecto.. De igual forma, los estudios realizados en este proyecto a nivel de perfiles de voltaje y formas de onda permiten concluir, que entre los casos analizados, es decir, el tener solo la red en funcionamiento y el tener GD de formas separadas,la red se comporta de una manera mas optima. Ahora, si comparamos el tener solo GD o red con respecto a tener ambas fuentes de energı́a, presenta mejor comportamiento el sistema a nivel de estabilidad y confiabilidad con los sistemas de generación a la vez. Por lo tanto en la evaluación de proyectos se deberán analizar los beneficios ofrecidos por las microredes contra los costos de efectos de compensación y distorsión armónica..

(46) Chapter 9. Agradecimientos Como en toda mi vida, quiero agradecer a mis padres por brindarme la oportunidad de culminar esta carrera y en la Universidad de los Andes. Sin su compañia y apoyo jamas hubiera logrado este triunfo en mi vida. GRACIAS.. Alejandra: Gracias por estar conmigo en esta etapa de culminación de mi vida. Eres mi guia y mi ayuda incondicional de ahora en adelante y se que me estarás acompañando siempre.. Mis Asesores Mario Rı́os y Gustavo Ramos: Me enseñaron a ver verdadero sentido de la Ingenierı́a Eléctrica y con sus aportes espero ser un gran profesional.. 40.

(47) Bibliography [1] B. Kroposki, B. T., and R. DeBlasio, “Microgrid standards and technologies,” Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, pp. 1–4, Julio 2008. [2] C. Marnay and G. Venkataramanan, “Microgrids in the evolving electricity generation and delivery infrastructure,” IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2006. [3] D. Pudjianto, G. Strbac, F. van Overbeeke, A. Androutsos, Z. Larrabe, and J. Saraiva, “Investigation of regulatory, commercial, economic and enviromental issues in microgrids,” International Conference on Future Power Systems, pp. 1–6, November 2005. [4] M. Barnes, J. Kondoh, H. Asano, J. Oyarzabal, G. Ventakaramanan, R. Lasseter, N. Hatziargyriou, and T. Green, “Real-world microgrids - an overview,” IEEE International Conference on System of Systems Engineering, pp. 1–8, Abril 2007. [5] D. Georgakis, S. Papathanassiou, N. Hatziargyriou, A. Engler, and C. Hardt, “Operation of a prototype microgrid system based on micro-sources equipped with fast-acting power electronics interfaces,” Power Electronics Specialists Conference, vol. 4, pp. 2521–2526, 2004. [6] S. Papathanassiou, N. Hatziargyriou, and K. Strunz, “A benchmark low voltage microgrid network,” Recuperado de http://www.sense.tu-berlin.de/, Septiembre 5 de 2009. [7] N. Hatziargyriou, “Microgrids: The key to unlock distributed energy resources?,” IEEE Power & Energy Magazine, vol. 1, pp. 26–29, Mayo-Junio 2008. [8] S. Abu-Sharkh, L. R., T. Markvart, N. Ross, P. Wilson, R. Yao, K. Steemens, J. Kohler, and R. Arnold, “Microgrids: Distributed on-site generation, tyndall centre for climate change research,” IEEE Power Engineering Society General Meeting, pp. 1–77, Marzo 2005. 41.

(48) Bibliografia. 42. [9] K. B., R. Lasseter, T. Ise, S. Morozum, S. Papathanassiou, and N. Hatziargyriou, “Making microgrids work,” IEEE Power & Energy Magazine, pp. 41–53, MayoJunio 2008. [10] T. Hammons, “International practices in distributed generation development worldwide,” UPEC, no. 885, 2007. [11] R. Dugan, T. Key, and G. Ball, “Distributed resources standards,” Power Engineering Society General Meeting, pp. 1–5, Junio 2007. [12] S. Haig, G. Tumilty, and J. McDonald, “Analysing the technology needs of future distribution networks,” Proceedings of the 41st International Universities Power Engineering Conference, vol. 1, pp. 217–221, Septiembre 2006. [13] H. Asanol and S. Bandol, “Economic analysis of microgrids,” Power Conversion Conference - Nagoya, pp. 654–658, Abril 2007. [14] A. Salam, A. Mohamed, and M. Hannan, “Technical challenges on microgrids,” ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, vol. 3, Diciembre 2006. [15] J. Driesen, G. Deconinck, A. Dexters, and R. Belmans, “The application of versatile power electronic inverters in lab-scale microgrids,” Power Systems Conference and Exposition, vol. 1, pp. 603 – 608, Octubre 2004. [16] E. Koutroulis, J. Chatzakis, and N. Voulgaris, “A bidirectional, sinusoidal, high frequency inverter design,” IEEE Procedings Online - Recuperado en Julio 22 de 2009, 2006. [17] R. K., “Hybrid fuel-cell strategies for clean power generation,” IEEE Transactions on Industry Application, vol. 1, Mayo-Junio 2008. [18] J. Driesen and F. Katiraei, “Design for distributed energy resources,” IEEE Power & Energy Magazine, pp. 30–40, Mayo-Junio 2008. [19] F. Zerihun, “Power electronic interfaces in microgrids,” Tesis de Maestria, vol. Estocolmo, pp. 1–114, 2007..

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