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1er Taller de Aplicaciones de Electrónica de Potencia en el Manejo de Energías Renovables

CENIDET- Cuernavaca, Morelos

19 de Junio de 2015

Investigación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP)

Dr. Homero Miranda Vidales Dr. Mario Arturo González García Dr. Ricardo Álvarez Salas Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo M.I. Alejandro Aganza Torres M.I. David Fraustro Castañeda M.I. Jorge Alberto Almaguer Hernández M.I. Jorge Isaac González Torres

Introducción

Facultad de Ingeniería • 4000 Alumnos

• 14 Programas de Licenciatura

(3800 estudiantes)

• Acreditaciones:

CACEI 100%

ABET 50%

• Doble Titulación:

Estados Unidos (CiTyU)

Francia (Ecoles Centrales)

2

Introducción

Investigación y Posgrado en la FI • 8 Programas de Posgrado

(200 Estudiantes)

• 8 Maestrías

• 4 Doctorados

• 680 graduados de Posgrado

3

Introducción

A la fecha se tienen 189 graduados del Posgrado en Ingeniería Eléctrica: • 144 graduados de maestría

• 45 graduados de doctorado

• 59 en áreas afines a electrónica de potencia

Estudiantes actualmente:

• 20 de maestría

• 19 de doctorado

Visitantes actuales:

• 1 Movilidad ECOS-NORD Francia

• 1 Investigador en sabático

• 1 Postdoctorante

• 1 Estudiante de doctorado UAQ

• Veranos de la ciencia

Posgrado en Ingeniería Eléctrica

4

Posgrado en Ingeniería Eléctrica

• 20o Aniversario de la Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica

Nivel Consolidado – CONACyT

Opciones terminales:

- Control Automático (1994)

- Materiales y Dispositivos (1994) Optoelectrónicos

- Electrónica de Potencia para Fuentes Alternas de Energía (por iniciar 2015)

5

Laboratorio de Calidad de la Energía Eléctrica y Control de Motores (LABCEECM)

• Creación:

Mayo 2003

• Actividades

- Investigación

- Tesis de Posgrado

6

PIE – Trabajo en Laboratorio

Investigación y desarrollo de proyectos

Financiamiento a través de fondos gubernamentales

Colaboración con industrias

Desarrollo de tesis de investigación

Producción científica y tecnológica

Interacción y colaboración con industrias de la región

Servicios y proyectos de calidad de energía

Formación de personal capacitado para industria (CFE, IIE, LAPEM)

Constante crecimiento en infraestructura

7

LABCEECM - Líneas de Investigación

• Electrónica de Potencia

• Máquinas Eléctricas

• Calidad de la Energía Eléctrica

• Convertidores Multinivel

• Fuentes Renovables de Energía

• Monitoreo y Diagnóstico de Fallas para

Máquinas Eléctricas y Convertidores de EP

• Sistemas Digitales para Convertidores de EP

8

LABORATORIO

LABCEECM Responsable: Dr. Víctor Cárdenas

Máquinas Eléctricas

Dr. Ricardo Álvarez

Dr. Felipe Pazos

Sistemas Digitales y Control Digital

Dr. Víctor Cárdenas

Dr. Ricardo Álvarez

Dr. Homero Miranda

Dr. Mario González

Electrónica de Potencia


Dr. Homero Miranda

Dr. Mario González

Calidad de la Energía Eléctrica


Dr. Homero Miranda

Dr. Mario González

Técnico Académico L. Ana Rivera

Filtros Activos

Rectificadores PWM

STATCOM, UPS, DVR

FPGAs and DSPs

Control No Lineal

Control Predictivo

Diagnóstico de Fallas


Control Sensorless

Máquinas de Inducción Doblemente Alimentadas

CD/CD, CD/CA, CA/CA

Sistemas Fotovoltaicos

Inversores Multinivel


Investigación y Desarrollo Servicios a la Industria

9

LABCEECM - Colaboraciones

• Universidad de Concepción (UdeC), Chile

• Universidad de Siegen, Alemania

• Institute National de l’Energie Solaire (INES), Francia

• Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)

• Instituto Tecnológico de Aguascalientes (ITA)

• Universidad de Guanajuato (U de Gto.)

• Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET)

10

Investigación en la UASLP

11

Convertidores Back-to-Back para Sistemas Eólicos

• Interconexión de dos sistemas de CA • Flujo bidireccional de potencia y control

Convertidor BTB y Máquina Doblemente Alimentada 12

Convertidores Modulares Aislados para Fuentes Alternas de Energía

Proyecto CONACyT - Problemas Nacionales

En colaboración con la Universidad de Siegen, Alemania Dr. Mario Pacas

* Tesis de maestría y doctorado asociadas

13

Objetivos:

Reducir número de etapas.

Aislamiento en alta frecuencia.

Incremento en la densidad de potencia - integración de múltiples fuentes de alimentación.

Un sólo núcleo magnético.

Nuevas tecnologías de semiconductores (SiC).

Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable

14

Esquema SISO (Single-Input Single-Output)


VDC

Utility Grid

AC/AC Converter

DC

HFAC

HF InverterPhotovoltaic Module

High-Frequency Transformer

· · HFAC

LFAC

·1 : n

·Ls

iDCC1

C2

Cin LM

+

-vg

+v1-

+vs-

+-

S1

S2

S3

S4

iLf

iLs

S1a

S1b

S2a

S2b

+v2-

Lf

15

Técnica de modulación de potencia

instantánea


-40-20

02040

(a)

v 1 , v

2 [V

]

0

0.05

0.1

0.15(b)

φ (t)

[t /

T s]

0

200

400

(c)

p* (t) ,

p (t

) [W

]

p* (t)p (t)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-200

0

200(d)

V g (t)

[V]

Time [s]0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

-3.5

0

3.5

i Lf (t

) [A

]

-40

-20

0

20

40(a)

v 1 , v

2 [V

]

-50

0

50

(b)

v 1 - v 2

[V]

0.0791 0.0791 0.0792 0.0792 0.0792 0.0792 0.0792-50

0

50(c)

i Ls [

A]

Time [s]

16

Validación experimental sistema SISO


17

Esquema MISO (Multiple-Input Single-Output)


·

1 : n·Ls1

iDC1

C1

C2

VDC1 CDC1LM

+

-vg

Lf

+v11-

+vs-

+-

S11

S12

S13

S14

iLfiLs1 S1a

S1b

S2a

S2b

+v12-

p(t)

·Ls2

iDC2

CDC2+v21-

+-

S21

S22

S23

S24

iLs2+v22-

VDC21 :

18

Validación experimental sistema MISO


19

Micro inversor Fotovoltaico con Enlace en HF para Compensación de Corrientes Armónicas Usando un

Tercer Puerto

Proyecto CONACyT – Problemas Nacionales

20

Solución Propuesta

Esquema de tres puertos propuesto

Sistema fotovoltaico - suministra potencia activa Cuando no existen las condiciones ambientales que permitan la generación, es factible agregar funciones de compensación al inversor

CD

CA

Alta frecuencia

Transformador alta frecuencia

CA/CDCompensación complementaria

Red eléctrica

Paneles solares

30 V (CD)

127 V rms (CA)

Usuarios

ConversiónCA/CA

21

Topología del microinversor propuesto

• Número reducido de componentes

• Aislamiento con transformador en alta frecuencia • Se agrega un puerto adicional

+

VPV

-

Io

IPV

Caux

S1S2

SA

SB

SC

SD

G

G

G

G

n1 n2

n3

+

VCD

-

Ic_aux

Salida inversor

+ Vo -

Convertidor CA/CA

Puerto de rizado

22

Resultados

Diagrama simplificado del microinversor conectado a la red

Micro-inversor

Llink=10mH

Red

R= 0.5 Ω, L= 0.1mH

P.V.

Puerto salida

+VPV

-

IPV

io icarga ired+vo-

Caux

Carga no lineal

+ VCaux -

vPCC 0

-2

2

0-5

-10

51015

48

5052

54

56

io

ired

VPV

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Tiempo (s)

Po = 100 W Po = 200 W Po = 50 W

THD = 0% THD = 25.3% THD = 6.7%

012345

580600620640660680

0

200

400

IPV

VCaux

po Pref PPV

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Tiempo (s)

I-sal

I-red

Vpv

Ipv

V-Caux

Psal, Pref, Ppv

Banco de pruebas 23

Estudio de una Red Eléctrica HVDC Distribuida con Multigeneración

Proyecto de Investigación

financiamiento ingresos propios

En colaboración con Dr. José Espinoza Universidad de Concepción. Concepción, Chile

24

VSC-MVDC basado en convertidor modular multinivel

Convertidor multinivel modular como sistema de interconexión a una red convencional en CA.

Red eléctrica distribuida con multi-generación Objetivos: - Caracterización - Control predictivo GPC - Modulación - Dimensionamiento Generación

Eólica

G G

GeneraciónFotovoltaica

GeneraciónConvencional

Línea de Transmisión MVDC

Carga

Red Eléctrica

Carga

Red Eléctrica

MMC MMC

P(W)Q(VAR)

P(W)P(W) P(W)

P(W)Q(VAR)

Línea de Transmisión

MVDC

CargaMMC 2

Fuente deEnergía

MMC 1

Red Eléctrica

P(W) P(W)Q(VAR)

25

Convertidor modular multinivel

SMn

SM2

SM1

……

SMn

SM2

SM1

… …

R0

SMn

…

ua

db

db

db

ub

ub

ub

SMn

SM2

SM1

……

da

da

da

SMn

SM2

SM1

……

SMn

SM2

SM1

… …

db

db

db

ub

ub

ub

Ls

Red Eléctrica

L0

R0

L0

L0

R0

R0

L0

L0

R0

R0

L0

v1

ua

VC

D/2

VC

D/2

Características: o Frecuencias de conmutación bajas

o Tensión reducida en los dispositivos

o Bajo contenido armónico de salida

o Etapa de filtrado e interconexión muy pequeña o nula

o Conexión directa a la red

¤ Gran número de dispositivos

¤ Condensadores de los módulos de valor significativo

¤ Complejidad en control

26

Transferencia de potencia del MMC en un esquema back to back

Potencia activa

Potencia reactiva

Bus de CD

Corriente en el bus de CD

1cdi SM

ua

1

SM n

SMda1

SMdan

L0

L0

….

….

R0

R0

Ls

Red Eléctrica

ua

ua

Ls

Red Eléctrica

SM

ua

1

SM n

SMda1

SMdan

L0

L0

….

….

R0

R0

ua

ua

2cdi

a1Di

a1Ui

a2Di

a2Ui

0Cv

Tensión y corriente en el PCC1

Tensión y corriente en el PCC2

27

Trabajo en desarrollo

1. Control predictivo generalizado GPC.

2. Agregar puertos secundarios dentro del esquema de red distribuida, agregando convertidores multinivel como el NPC.

3. Probar el esquema bajo diferentes condiciones de redes eléctricas. Sags, swells, isla.

4. Generación de referencias de potencia a seguir por los diferentes VSC.

VSC1 VSC2

Coupling Section

Coupling Section

3φ

Transmission Line 3φ

VSC1Control

VSC2Control

S-PWMBlock

abc1i

abc2i

abc1m abc

2m

abc1v abc

2v

T1

T2

T3

T4

T1

T2

T3

T4

S-PWMBlock

PCC1 PCC2

2dcv2dcv∆

1dcv1dcv∆

abc1T abc

2T

Line1v Line

2vL ine

1fL ine

2f

GeneraciónEólica

G G

GeneraciónFotovoltaica

GeneraciónConvencional

Línea de Transmisión MVDC

Carga

Red Eléctrica

Carga

Red Eléctrica

MMC MMC

P(W)Q(VAR)

P(W)P(W) P(W)

P(W)Q(VAR)

28

Convertidor con Aislamiento en Alta Frecuencia - Aplicaciones de Energía Renovable

Proyecto PI (Industria-CONACyT)

En colaboración con Dr. José Espinoza Universidad de Concepción. Concepción, Chile

29

Convertidor con aislamiento en alta frecuencia

Interconexión de fuentes de generación a la red

Transformador de estado sólido (SST)

Fuente de Generación

Red

CA/CD CD/CA

Convertidor CD-CDAlta Frecuencia

Convertidor CA-CD-CA basado en topologías de puente completo.

30

• Estructura modular

• Se pueden incorporar diversas fuentes de generación CD o CA

• Puede ser implementado un sistema de gestión de energía en micro-redes

• Control independiente por módulo

• Sistemas de almacenamiento de energía

CD/CA

PanelesCon

Microinversor

Generador

Red Cargas en CA

DEESD


31


v3

v2

V cd1

V cd2

V cd3

L

LLi

Li

Lo

iHFi1

iHFi2

iHFo1

iHFo2

v1

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

2000

4000

6000

8000

10000

[W]

PTot

PBTB-SST 1

PBTB-SST 2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-8000

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

[VA

R]

QiTot

QoTot

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[V] [

A]

v2 i

oTot f

p=0.989

Seguimiento de potencia

Regulación de potencia reactiva

Corriente y tensión de salida

Tiempo(s) Potencia(kW) % Total de

Salida 0 3 30

0.033 6 60 0.066 9 90

32

Convertidores Modulares para Interconexión de Sistemas Fotovoltaicos a la Red en Media Tensión

Proyecto Cátedras CONACyT

UASLP 22 Cátedras aceptadas en 2014 3 en la Facultad de Ingeniería 1 asociada al proyecto Colaboraciones con G2Elab e INES, Francia Dr. Seddik Bacha, Dr. Tuan Tran Colaboración CENIDET - Dr. Carlos García

33

Convertidores Modulares para Interconexión de Sistemas Fotovoltaicos a la Red en Media Tensión

Objetivos • Interconexión directa a media tensión • Topología modular multinivel • Aislamiento en media frecuencia • Dimensionamiento • Selección del número de módulos • Simulación: 1MW, 13.2kV. Experimental: 10kW, 1.32kV • Control automático • Detección de fallas y reconfiguración

34

Transformador60Hz

480V

Y-Δ

CD-CDMPPT

+

−

CD-CA

13.2kV

Line

a de

Med

ia T

ensi

on 1

3.2k

V

−

−

+

+

Arreglo de panelesfotovoltaicos

Topología Modular Propuesta

• Filtro de enlace

pequeño • Confiabilidad e

ininterrupción • Directo a media

tensión

• Aislamiento en media frecuencia

• MPPT

• Repartición de arreglos de paneles

2cdC

1ScdcdD

Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles

1cdC

cdcdL

MPPT2S

3S

4S

5S

6S

7S

8S

9S

1D

2D

3D

4DTMF

2cdC

1ScdcdD


1cdC

cdcdL

MPPT2S

3S

4S

5S

6S

7S

8S

9S

1D

2D

3D

4DTMF

Modulo n

Modulo 1

Modulo 2

R

ed d

e M

edia

Ten

sion

filtL

35

Selección de número de módulos para un sistema de generación de 10kW, a 1.32kV

2 Módulos: mayor eficiencia al menor costo de semiconductores. - Con 2 módulos ante una falla saldría de operación. Para aplicar detección de fallas y reconfiguración Falla de 1 módulo: 4 módulos Falla de 2 módulos: 5 módulos El dimensionamiento de semiconductores para 3, 4 y 5 módulos es el mismo.

36

Simulación convertidor 10kW, a 1.32kV con 4 módulos

Voltaje de salida con 9 niveles M (N-1) + 1

0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12-2000

-1000

0

1000

2000

Vsa

l (V

)

0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12-20

-10

0

10

20

Isal

(A)

0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12200

300

400

500

Tiempo (s)

buse

s C

D (V

)

2cdC

1ScdcdD


1cdC

cdcdL

MPPT2S

3S

4S

5S

6S

7S

8S

9S

1D

2D

3D

4DTMF

2cdC

1ScdcdD


1cdC

cdcdL

MPPT2S

3S

4S

5S

6S

7S

8S

9S

1D

2D

3D

4DTMF

Modulo n

Modulo 1

Modulo 2

R

ed

de M

ed

ia T

en

sio

n

filtL

37

Corriente de salida Carga resistiva

Voltajes de los 4 buses de CD

• Mínimo que se puede instalar: 7 módulos (sin reconfiguración) Para detección de fallas y reconfiguración:

• Falla de 1 módulo: instalar 8 módulos • Falla de 2 módulos: instalar 9 módulos

Módulos 6 7 8 9 10 Potencia 166.67kW 142.86kW 125.00kW 111.11kW 100.00kW Voltaje 2,200.00V 1,885.70V 1,650.00V 1,466.70V 1,320.00V Corriente 75.75A 75.75A 75.75A 75.75A 75.75A V paneles 1,555.60V 1,333.40V 1,166.70V 1,037.10V 933.38V

Selección de número de módulos para un sistema de generación de 1MW, a 13.2kV

2cdC

1ScdcdD


1cdC

cdcdL

MPPT2S

3S

4S

5S

6S

7S

8S

9S

1D

2D

3D

4DTMF

2cdC

1ScdcdD


1cdC

cdcdL

MPPT2S

3S

4S

5S

6S

7S

8S

9S

1D

2D

3D

4DTMF

Modulo n

Modulo 1

Modulo 2

R

ed

de M

ed

ia T

en

sio

n

filtL

Por desarrollar: Detección de fallas - reconfiguración - control automático - sistema digital - validación simulación y experimental

38

Gracias por su atención

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