Aplicaciones de Electrónica de Potencia en

(1)

Aplicaciones de Electrónica de Potencia en

Redes Inteligentes

GUSTAVO ANDRÉS RAMOS L. Ph.D.

@

i

d

[email protected]

SEMINARIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA,

ENERGÍAS RENOVABLES Y REDES INTELIGENTES

(2)

Aspectos relevantes de la electrónica de potencia

• Componentes:

– Semiconductores: IGBT, MCT.

– Densidad de potencia

Densidad de potencia.

• Circuitos y topologías:

– Conversores (AC-DC, DC-DC, DC-AC).

– VSC (voltage source converter)

– Eficiencia de las fuentes conversoras.

• Sistemas:

Sistemas:

– Desempeño: Confiabilidad , Disponibilidad y Calidad de la Potencia.

– Aspectos de control: PWM, SVPWM, Central, Jerárquico.

I

ió d l

i

F

d

í

bl

/

– Integración de los sistemas: Fuentes de energía no renovables y/o

generación distribuida, compensación

(3)

Tendencias

3

Tomado de: C. Marnay, U.S. Department of Energy and California Energy Commission.

Relevants aspects for Europe from a US America viewpoint” International Symposium

3

Relevants aspects for Europe from a US-America viewpoint ,International Symposium Verteilte Stromerzeugung und intelligente Netze. Oct 2006, Viena, Austria.

(4)

Electrónica de potencia en las redes inteligentes

• La electrónica de potencia como área de apoyo para afrontar los

retos de operación

de las grandes y pequeñas redes, así como

la integración

g

de fuentes de energía renovables o no renovables

g

a pequeña o gran escala.

• Operación:

G

ti

S

id d C lid d d l P t

i

C

fi bilid d

– Garantizar Seguridad, Calidad de la Potencia, Confiabilidad y

Disponibilidad (SQRA)

– Supergrids, Microgrids

• Integración:

– Variabilidad

– Control

An

integrated

array

of

technologies,

devices

and

systems

that

provide

and

utilize

digital

information,

communications

and

controls

to

optimize

the

efficient,

reliable,

safe

and

secure

Control

– Eficiencia

p

,

delivery

of

electricity.

(5)

(6)

HVDC e interconexiones submarinas

(7)

Incorporación fuentes de energía renovables

p

g

Fuente: Erik Gunther “Interim Smart Grid Roadmap

Overview and Conceptual Model”, PES General Meeting, Julio 2009

(8)

Microgrids

g

Basado en: J. Driesen , F. Katiraei, "Design for Distributed Energy Resources," Power and Energy Magazine, IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 30-40, Mayo/Junio 2008.

(9)

Electrónica de potencia en la microred

MICRORED

Flujo de

Calidad de la

Uso

eficiente

Flujo

de

reactivos

de

fuentes

alternativas

Calidad

de

la

potencia

Electrónica

de

potencia:

(10)

Necesidades actuales

• HVDC-FACTS:

– Integración de fuentes de energía renovables a gran escala.

• Sistemas HVDC convencionales vs. HVDC basados en SVC.

• Sistemas HVDC multiterminal.

– Compensación con dispositivos FACTS, Custom Power.

• Planeación y operación de redes de distribución activas

– Operación en modo normal vs. modo isla

• Calidad de la potencia

• Técnicas de compensación activa en la red. Caracterización de flujos

– Integración de micro-generación y su intermitencia

• Control del flujo de potencia basado en los conversores que se

conectan con la red

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Trabajos electrónica de potencia en el área

CIRCUITOS Y TOPOLOGÍAS:

• Diseño de fuentes de conexión de paneles fotovoltaicos a la red

• Conversores resonantes para conexión de paneles solares

• Diseño de filtros híbridos para compensación de distorsión

p

armónica.

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Trabajos electrónica de potencia en el área

SISTEMAS

• Control de conversores VSC para integración en microredes

(Fuzzy control)

(Fuzzy control).

• Conexión de granjas eólicas en ultramar.

• Conexión HVDC multiterminal.

• Caracterización de flujos de potencia en microredes

• Filtros activos en sistemas con generación distribuida.

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D

i i

d l

bl

i

Conexión de parques eólicos de altamar con enlace HVDC empleando convertidores de electrónica de potencia. Proyecto de grado Ing. Electrónico Camilo Ordoñez

Descripción de la problemática

Conexión de granjas eólica de altamar a un sistema de potencia

Aumento de generación eólica



• Conexión de parques eólicos

off-shore a un sistema de potencia

• Flujos de P Q y h’s generados por

• Flujos de P,Q y h s generados por

HVDC y por un gen. eólico debido a

la presencia de dispositivos de

electrónica de potencia?

• Calidad potencia (i.e. filtros activos,

(14)

M

d l

d

l i

Metodología de solución

Granja eólica + Filtro activo en derivación, basado en IPT

[3] + HVDC

H. Akagi, E. Watanabe, M. Aredes.

Instantaneous Power Theory and Applications

to Power Conditioning

. 2007.

(15)

R

l d

Resultados

Granja eólica + Filtro activo en derivación, basado en IPT

+ HVDC

Modelo en Matlab 2010®

Generador de Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG).

Filtro Activo

R. Boinne,Stability Studies of an Offshore Wind Farms Cluster. 2009

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Resultados

Inclusión de carga local NO lineal NO balanceada

Carga NO lineal bifásica (S=2 MVA, Idc=IL=80 A)

Carga local no lineal no balanceada (bifásica)

CORRIENTE FASEA FASEB FASEC

Corriente de granja eólica

1.49%

1.68%

1.72%

Corriente de carga total

35.75% 31.37% 18.66%

TABLA5 DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL DE LAS DOS CORRIENTES, EN LAS TRES FASES

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Electrónica de potencia en la solución de problemas de calidad de la transmisión y distribución de potencia en los sistemas eléctricos de potencia del futuro.

Proyecto CIFI. Asistente graduado Ing. Harold Chamorro

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Electrónica de potencia en la solución de problemas de calidad de la transmisión y distribución de potencia en los sistemas eléctricos de potencia del futuro.

Proyecto CIFI. Asistente graduado Ing. Harold Chamorro

S

C

Study Case II

RS Tm4 RS Tm3 QDeliver f f PDeliver ref Psalphase P2 Slave ref Psal phase P1 Master 0 50 W ) Reference Active Power 50 100 W ) Reference Active Power 100 W ) Reference Active Power ref Qsal m Q2 Slave ref Qsal m Q1 Master P&Q M2 P&Q M1 mi ps P C mi ps P C -100 -50 0 A ct iv e P o wer ( W -50 0 50 A ctive P o w e r ( W 0 50 A ct iv e P o w e r (W Active Power Scope RS Tm1 P_total PDeliver1 P2 Slave1 P1 Master1 Q B A Microgrid 2 Q B A Microgrid 1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -150 Time (s) A 50 ) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -100 Time (s) 50 R ) Reference 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -50 Time (s) A 40 ) RS Tm2 Q_total QDeliver1 ref Qsal m Q2 Slave1 ref Qsal m Q1 Master1 ref Psal phase ref Psal phase i i 50 0 e P o wer ( VAR ) Reference Reactive Power 0 iv e Po w e r (V A R Reference Reactive Power 0 20 v e P o wer ( VAR ) Reference Reactive Power Q M4 P&Q M3 mi ps P Q C B A mi ps P Q C B A 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -100 -50 Time (s) R eact iv e 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -50 Time (s) R eact i 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 -20 0 Time (s) R eact iv Microgrid 4 Microgrid 3

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Compensación de armónicos y de potencia reactiva de una microred con una alta penetración de generación distribuida por medio de soluciones “custom power”

Proyecto de grado Ing Eléctrico Andrés Puentes Proyecto de grado Ing. Eléctrico Andrés Puentes

Unifilar microred prototipo

Fuente: S. Papathanassiou, N. Hatziargyriou, K. Strunz, "A Benchmark Low Voltage Microgrid Network," in Proceedings of the CIGRE Symposium: Power Systems with Dispersed

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Proyecto de grado Ing Eléctrico Andrés Puentes

Flujo de potencia instantánea

CASO 1 i GD

Proyecto de grado Ing. Eléctrico Andrés Puentes

• CASO 1 sin GD

12 14x 10 4 a Nodo 3 Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 6 8 10 n c ia R e al I n s ta n tá ne a Nodo 6 Nodo 7 Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 3.630 3.632 3.634 3.636 3.638 3.64 3.642 3.644 3.646 3.648 3.65 2 4 Tiempo (s) Po te n Tiempo (s) 4 6 8x 10 4 tan ta n e a Nodo 3 Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 Nodo 7 N d 8 0 2 4 o te n c ia Im a g in a ri a In s t Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 3.63 3.632 3.634 3.636 3.638 3.64 3.642 3.644 3.646 3.648 3.65 -4 -2 Tiempo (s) P o

(21)

CASO 2 i

d

i

l Abi t I t

t

A

Flujo de potencia instantánea

• CASO 2 sin red principal. Abierto Interruptor A

15x 10 4 a Nodo 3 Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 5 10 n c ia R e al I n s ta n tá ne a Nodo 6 Nodo 7 Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 4.970 4.975 4.98 4.985 4.99 4.995 5 5 Tiempo (s) Po te n Tiempo (s) 2 2.5x 10 5 nt á ne a Nodo 3 Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 Nodo 7 0.5 1 1.5 e nc ia Ima g inar ia Ins ta n Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 4.97 4.975 4.98 4.985 4.99 4.995 5 -0.5 0 Tiempo (s) P o te

(22)

CASO 3 Si

d Abi t

i t

t

A

B

Flujo de potencia instantánea

• CASO 3 Sin red. Abiertos interruptor A y B

3 4x 10 4 a Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 Nodo 7 -1 0 1 2 n c ia R e al I n s ta n tá ne a Nodo 7 Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 4.97 4.975 4.98 4.985 4.99 4.995 5 -4 -3 -2 Tiempo (s) Po te n Tiempo (s) 1 1.5 2x 10 4 n tán ea Nodo 4 Nodo 5 Nodo 6 Nodo 7 Nodo 8 1 -0.5 0 0.5 e n c ia I m a g in a ria I n s ta Nodo 8 Nodo 9 Nodo 10 4.97 4.975 4.98 4.985 4.99 4.995 5 -2 -1.5 -1 Tiempo (s) Po te