S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO

I/ cenidet !I

SISTEMA DE COGENERACIÓN CON FUNCIONES DE FILTRO ACTIVO INTEGRADAS

T E S I S P A R A O B T E N E R E L G R A D O D E :

M A E S T R O E N C I E N C I A S

EN INGENIERfA ELECTRÓNICA P R E S E N T A :

HUMBERTO RAÚL JIMÉNEZ GRAJALES

I1

I/

D I R E C T O R E S D E T E S I S :

DR. JORGE HUGO CALLEJA GJUMLICH II

CUERNAVACA, MORELOS JULIO 2002

ACADEMIA DE LA MAESTR~A EN ELECTR~NICA FORMA R11

ACEPTACION DEL TRABAJO DE TESIS

Cuernavaca, Mor.

Dr. Jesús Arnoldo Bautista Corral Director del cenidet Presente

Att'n. Dr. Enrique Quintero-Mármol Márquez Jefe del Depto. de Electrónica

Después de haber revisado el trabajo de tesis titulado: "Sistema de Cogeneración con Funciones de Filtro Activo Integradas", elaborado por el alumno Humberto Raúl Jiménez Grajales, bajo la dirección del Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich y del Dr. Victor Manuel Cárdenas Galindo, el trabajo presentado se ACEPTA para proceder a su impresión.

A T E N T A M E N T E ' I

havarria Solis

C.C.P.: Dr. Marco Antonio Oliver Salazar I Pdie. de la Academia de Electrónica Lic. Olivia Maquinay Diaz I Jefa del Depto. de Servicios Escolares Expediente.

INTERIOR INTERNADO PALMIRA S/N. COL, PALMIRA , A.P. 5-164. CP. 62490, CUERNAVACA, MOR. - MÉXICO TELS. (777) 312 23 14.318 77 41. FAX (777) 312 24 34 EMAIL eqm@cenidel.edu.mx

Cuernavaca, Morelos

Ing. Humberto Raúl Jiménez Grajales Candidato al grado de Maestro en Ciencias en Ingeniería Electrónica Presente

Después de haber sometido a revisión su trabajo final de tesis titulado: “Sistema de Cogeneración con Funciones de Filtro Activo Integradas”, y habiendo cumplido con todas las indicaciones que el jurado revisor de tesis le hizo, le comunico que se le concede autorización para que proceda a la impresión de la misma, como requisito para la obtención del grado.

Reciba un cordial saludo.

A T E N T A M E N T E

- pp c ,

Dr. Enriaue Quidtero-Mármol Márquez Jefe del Depto. de Electrónica

C.C.P. expediente.

INTERIOR INTERNADO PALMIRA SIN, COL, PALMIRA, A.P. 5-164. CP. 62490. CUERNAVACA, MOR. - MÉXICO TELS. (777) 312 23 14.318 77 41. FAX (777) 312 24 34 EMAlL eqm@cenidel.edu.mx . .

fiya es, oh Jehouá, la magnificencia y elpoder, la gloria, la uictoria y el honor; porque todas las cosas que están en los cielos y en la tierra son tuyas. Tuyo, oh

Jehouá, es el reino, y tú eres excelso sobre todos ... Porque ¿quién soy yo, y quién es mipueblo, para quepudiésemos ofrecer

voluntariamente cosas semejantes? Pues todo es tuvo. - . y de lo recibido de tu mano te damos.

I " Crónicas 29: I1 y 14.

DEDICO ESTA TESIS:

A Ti Amado Señor y Salvador Jesucristo: por tu Gracia y tu Misericordia, porque ¿Qué poseo hoy que no recibí de Ti? Por ese

Plan que tienes para mi vida: Tu Nombre levantaré.

A mis Padres: Raúl Jiménez Peralta y Concepción Grajales López por sus oraciones y sabios consejos; por enseñarme el Temor a Jehová con su ejemplo, ante diversas circunstancias.

M i s hermanos: Magda y Paco por sus oraciones y las palabras de fortaleza que el Señor les da.

Mis abuelas: Angela Peralta y Magdalena López porque sin sus oraciones y perseverancia, nada d e lo que ahora tenemos

hubiera empezado.

\ A ustedes porque forman parte de las bendiciones que el

Señor me ha dado para conocerle mejor y cumplir sus propósitos.

AGRADECIMIENTOS A Dios que mepermitió alcanzar esta meta y aumentar mi fe.

A mifamilia Por SU incondicional apoyo en todo momento,

A mis asesores: Dr. J. Hugo Calleja Gjumlich y Dr. Kctor M, Cárdenas G, por permitirme dt?sarrokr este proyecto de investigación, el cual no hubiera sido

posible sin su valiosa dirección. Gracias por SU ejemplo,

A mis revisores el Dr. Rodoljo Echavam’a Solís, el Dr. Ciro A. Núñez Gutiérrez y el Dr. Raúl Velásquez Sánchezpor sus valiosos comentarios al

presente Trabajo de Investigación.

Al Dr. Jorge M. Huacuz Villamar y al Ing. Raúl González Galana d e la Gerencia de Energías No convencionales del iiE.

A mis profesores del Cenidet los Drs.: Jaime Arau, Abraham Claudio, Mana Cotorrogea, Rodoljo Echavam’a, Ciro Nuñez, Gerard0 Vela, Carlos Aguilar

gracias por compartir sus conocimientos con talento y profesionalidad.

Al personal del CENIDET: Sra. Mana Elena, Lic. Olivia Maquinay, Liliana Mérida, Ing. Alfred0 González, Sr. Román, Sra. Mayra, Sra. Mónica, Ing. Mario Moreno, Alberto, Ana Mana, Sr. Juan y FéluC; gracias por todas las

facilidades proporcionadas.

A mis compañeros de generación: Juan Sarabia, Omar Castañeda, Roger Camilo, Irene Guerrero, Miguel Zapata, Javier Mata, Javier Macedonio, Rene

Osorio, Luis Neri, Miguel A. Flores y Jesús Mina. En computación y Mecánica: Anely, Paty, Gaby, Iris y Daniel; por el amable apoyo que me

brindaron en todo momento.

A mis pastores Raque1 d e González, Raymundo López y Noe San Martín, y a sus familias, por su talento y perseverancia en su ministerio.

A mis hermanos y amigos d e “la Célula” con quienes juntos compartimos bendecidos fines de semana.

A CONACW y SEPpor el importante apoyo que me brindaron para realizar mis estudios d e Maestría.

,- Gracias, que el Señor les bendiga

Atte. Humberto Raúl Jiménez Grajales

. .

TABLA DE CONTENIDO

Resumen I

Introducción iii

CAPÍTULO I Antecedentes 1.1 Introducción

1.2 Uso de la energía eléctrica

1.2.1 Consumo de energía

1.2.2 Sector energía

I.2.3 Sector residencial

1.2.4 Administración de la demanda

1.3 Calidad de la red eléctrica

1.3.1 Generalidades

1.3.2

1.3.3 Cargas críticas

1.3.4 Responsables

Perturbaciones de la red eléctrica

1.4 Planteamiento del problema 1.4.1 Picos de demanda máxima

1.4.2 Contaminación armónica

1.4.3 Factor de potencia

1.4.4 Normatividad

1.5 Justificación

1.6 Revisión del estado del arte

1.6.1 Sistema fotovoltaico

1.6.2 Técnicas de detección de corrientes reactiva y armónicas

1.7 Aportaciones

.-

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3

3

4

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CENlDE T Tabla de Colifeii¡dO

CAP~TULO I1 SFV Interconectados a Red 11.1 Introducción 11.2 Aplicación de los SFV interconectados a red

11.2.1 Consideraciones para la interconexión

11.2.2. Protección y seguridad

11.3 Generación eléctrica distribuida

11.3.1 Concepto

11.3.2 Beneficios

11.4 impacto en la calidad de red

11.4.1 Efectos de la distorsión armónica

11.4.2 Efectos en el factor de potencia

11.4.3 Equipos para incrementar la calidad de la red

11.4.4 Filtros activos

11.4.4.1 Clasificación de los filtros activos

11.4.4.2 Funcionamiento básico de un filtro activo paralelo

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33

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CAPÍTULO 111 Diseño de la Etapa de Control 111.1 Introducción

111.2 Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA)

111.2.1 Estrategia para las funciones de filtrado activo

111.3 Detección de corrientes reactiva y armónicas para señales de referencia

en filtros activos

111.3.1 Técnicas existentes

111.3.2 Selección del control

111.4 Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA)

111.4.1 Método de detección adaptable para corrientes

reactiva y armónicas

111.4.1.1 Estudio de la función de transferencia del CDCRA

111.4.1.2 Efecto del valor de ganancia en el lazo

de retroalimentación

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38

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39

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41

41

43

45

CENiDET Tabla de Coitteitido

111.4.2 Diseño e iniplementación del CDCM

111.5 integración del CDCRA al SFIpA

111.5.1 Diagrama a bloques

111.5.2 Setpoint

111.5.3 Implementación

111.6 Técnica de modulación

111.6.1 Sincronización con la línea

111.6.2 Acondicionamiento de la señal de referencia de línea

111.6.3 Señales de control para los interruptores de potencia

111.7 Etapa de protecciones y seguridad

111.7.1 Sobrecorriente

111.7.2 Aislamiento de línea (Idanding)

111.7.3 Inyección de CD

CAPITULO IV Diseño de la Etapa de Potencia IV.1 Introducción

IV.2 Flujo de energía

IV.2.1 Caso I: Periodo de insolación

IV.2.2 Caso 11: Periodo de oscuridad

IV.3 Bus de CD

IV.3.1 Arreglo FV

IV.3.2 Condensador de CD

IV.4 Inversor

IV.4.1 Dispositivos de conmutación

IV.4.2 Circuitos impulsores para los dispositivos de conmutación

IV.4.3 Pérdidas en los IGBT’s

IV.4.4 Pérdidas en los diodos IV.4.5 Diseño térmico

IV.4.6 Análisis del tiempo muerto

IV.5 Transformador elevador

IV.6 Inductor de interconexión

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CENIDET Tabla de Coiiieiiido

IV.7 Potencia aparente manejada como FA

CApíTULO V Resultados Experimentales

V.l Introducción

V.2 Especificaciones del prototipo

V.3 Compensación de potencia reactiva

V.3.1 Carga no lineal, tipo fuente de tensión

V.3.2 Carga no lineal, tipo fuente de corriente

V.3.3 Carga lineal reactiva tipo capacitiva, RC paralelo

V.3.4 Carga lineal reactiva tipo itiductiva, motor - V.4 Compensación de potencia activa

V.4.1 Sistema de cogeneración inyectando corriente a ZL V.4.2 Sistema de cogeneración inyectando corriente activa a la red

V.5 Compensación de potencia activa y reactiva

V.5.1 Potencia con baja irradiancia solar

V.5.2 Potencia con alta irradiancia solar

V.6 Dinámica del sistema

V.7 Estudio del flujo de energía

V.7.1 Gráficas de potencia

V.7.2 Aprovechamiento de energía

CAPITULO VI Conclusiones VI. 1 Introduccióii

VI.2 Conclusiones

VI.3 Trabajos futuros

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90

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94

91

CENIDET Tnbh de Coiiieiiido

Referencias bibliográficas 99

Lista de símbolos y abreviaturas

Lista de figuras y tablas

105

107

111

115

Apéndice A: Tarifas en el Sector Residencial

Apéndice B: Formas de Onda de Perturbaciones en la Red Eléctiica

Apéndice c: Filtros de Corrientes Armónicas en Sistemas Eléctricos 116

Apéndice D: Resultados en Simulación del CDCRA

Apéndice E: Diagramas Electróriicos

117

121

Tnbln de Contenido CENIDET ~

Resumen

Sin duda, la energía eléctrica es la forma de energía más ampliamente usada en las actividades económicas y sociales de nuestro inundo moderno. Por ello, se puede decir que las compañías generadoras y distribuidoras de electricidad asumen dos retos de relevante preocupación actual. Uno es generar con mayor eficiencia, menor costo y con un mínimo impacto sobre el medio ambiente. El segundo es cumplir con la calidad del suministro, que ha llegado a ser un punto importante tanto para los usuarios como para las compañías que distribuyen la energía eléctrica, y que se refleja en una distribución y un C O ~ S U ~ I O de energía más eficiente.

El trabajo de tesis que se presenta, describe un sistema fotovoltaico (SFV) interconectado a la red eléctrica que ayuda a superar los retos citados. Este SFV tiene la función de recibir la energía solar entregada por un arreglo de celdas FV; operar en el punto máximo de potencia de las celdas (para mayor aprovechamiento de la energía captada); acondicionarla a una señal alterna, dentro de los parámetros técnicos normativos para la interconexión eléctrica (establecidos por la compañía; CFE en México); e inyectarla a la red eléctrica con el propósito de compensar potencia reactiva (filtrado activo) demandada por cargas lineales y no lineales, reduciendo la contaminación de la red eléctrica; además de compensar potencia activa en los picos de demanda de energía eléctrica maxima. El sistema funciona como filtro activo durante todo el día, lo que permite que la capacidad de potencia instalada por el equipo se aproveche al máximo y no solamente durante el periodo del día eii que se dispone de la radiación solar.

,

Las principales ventajas que se tienen son: implemeiitacióii sencilla, robusta y con alta inmunidad a la variación de paránietros. En las funciones de filtro activo, las señales de referencia necesarias para modular el inversor, se obtienen utilizando la técnica de cancelación de interferencia adaptiva. Esta técnica mantiene al sistema en el mejor estado funcional, mediante un continuo autoajuste ante cambios en los parámetros de operación, generando resultados importantes y satisfactorios. Además, simultáneamente el SFV utiliza, en el segiiiiniento del punto de máxima potencia, la técnica de “perturbar y observar”, la cual ofrece un alto desempeño en la inyección de potencia activa. I1

Introducción

Hasta el momento la mayoría de los inversores existentes en el mercado que se diseñan para la interconexión de fuentes de energía renovable a la red eléctrica, que no afectan la calidad de la red y que además ofrecen varias prestaciones técnicas. Sin embargo, no contemplan dentro de su filosofía de operación, mecanismos que permitan contribuir con la calidad de la red eléctrica en el punto de interconexión; es decir contribuir a elevar el factor de potencia y a reducir la contaminación armónica debido a las cargas eléctricas del usuario. Las razones por las que no se contempla esto todavía, puede deberse por un lado, al costo adicional que involucra el tener que implementar las técnicas de control requeridas; y por el otro, al poco material existente en términos de normatividad para este tipo de tecnología (en lo cual ya varios países se encuentran trabajando arduamente). Por ello, el prototipo desarrollado en la presente tesis de maestría tiene como principal importancia, no solamente inyectar potencia activa a la red (siguiendo el punto de máxima potencia FV); sino también elevar el factor de potencia y reducir la contaminación armónica en el punto de interconexión, mediante un control robusto, sencillo y en consecuencia de bajo costo que utiliza la misma etapa de potencia.

'

La organización de este trabajo de investigación comienza en sus primeros dos capítulos con un enfoque general de la situación energética nacional, con la intención de dar una referencia acerca de las áreas que resultan beneficiadas con este tipo de desarrollos tecnológicos; las cuales han sido de gran preocupación en los últimos años. El enfoque será en términos de Calidad y Ahorro de la Energía Eléctrica en el sector eléctrico y residencial, dadas las metas de esta investigación. Por lo tanto, se comentan las medidas que se están tornando dentro de los diferentes sectores consumidores de energía eléctrica en el marco de eficiencia energética. Se aborda el concepto de generación distribuida mediante energías renovables. También se muestra el rumbo de los SFV interconectados en México, así como las soluciones que éstos darían a serios problemas que enfrenta la compatiía suministradora de electricidad, tanto por picos de demanda máxima, como por calidad del suministro eléctrico. Se presenta también una descripción sustancial de la Calidad de la Red Eléctrica, del impacto que ésta tiene ante la interconexión de diversas cargas y de las soluciones técnica y económicamente viables utilizadas

p

CENIDET Introducción

en la actualidad.para mejorarla, Así mismo, se hace referencia a la normatividad nacional e internacional que rige los aspectos relacionados con este trabajo.

el capítulo 111 se tiene el diseño de la etapa de control. Se Presentan las técnicas existentes en la detección de las referencias para los filtros activos (FA), 10s fundamentos teóricos en los que se basa el cotitrol para proveer funciones de FA al sistema, un breve análisis matemático de su función de transferencia, y su impiementación electrónica. Se describen también las protecciones eléctricas del prototipo.

En el capítulo 1V se presenta el diseño de la etapa de potencia. En la primera parte se muestra un análisis teórico de la filosofia de funcionamiento del sistema, a lo largo del día. Posteriormente se presentan: los diseños e itnpletnentación de cada elemento (componentes pasivos y dispositivos semiconductores de potencia), los compromisos y las consideraciones pertinentes que se tomaron para obtener una eficiencia alta, tanto en su propio funcionamiento, como en su interacción con el conjunto red-usuario, así como las pérdidas en el inversor.

En el capítulo V se tienen los resultados más representativos del trabajo de investigación. Se comienza separando dichos resultados en términos de compensación reactiva y activa, a manera de evaluar su comportamiento para cada caso. Se presenta también su desempeño con diferentes tipos de carga eléctrica (tanto cargas no lineales, como lineales), incluso su dinámica ante escalones de carga. En la última sección se presenta un análisis, en función de la producción y pérdidas que se tendría en la interacción del prototipo con el biiioniio red eléctrica - carga (usuario de la red) en un determinado periodo, con la intención de mostrar el impacto tecnológico que tiene para dicho binomio los SFV de este tipo.

En el capítulo VI se presentan las conclusiones obtenidas a io largo de la investigación, con la finahdad de Poder evaluar 10s retos que se presentaron, así como las alternativas de

que se tomaron Para alcanzar 10s objetivos propuestos. Se plantean también 10s trabajos futuros a d e ~ a r r o h Para mejorar el diseño, o bien para apoyar a otros posibles desarrollos,

iv

CAPITULO I

Antecedentes 1 . 1 introducción

Sin lugar a dudas el siglo XX se identificará como aquel en donde el hombre alcanzó un desarrollo tecnológico gigantesco, io que marcó el comienzo de una nueva era tecnológica que seguirá siendo la base para alcanzar muchas otras cumbres científicas en el bienestar humano, que quizás antes eran imposibles. Además, de manera contrastante con lo anterior, se sabe también que uno de los aspectos relevantes que caracterizaron a la humanidad, sobre todo en los últimos años, fue el toniar conciencia de la necesidad de hacer un uso más responsable de las fuentes de energía para satisfacer las necesidades humanas [l].

Es bien sabido que las centrales generadoras de electricidad que queman combustibles fósiles son las responsables de producir una parte sustancial de las emisiones que daíían las áreas verdes y contaminan el medio ambiente, deteriorando lentamente la calidad de vida en el planeta’, Sin embargo, en el mundo moderiio, la electricidad es la forma de energía de uso final más ampliamente utilizada en las actividades económicas y sociales. Por esta razón se debe producir con mayor eficiencia, menor costo y con un mínimo impacto sobre el medio ambiente [2 ] . En el campo de los sistemas de potencia, la tradicional generación centralizada de energía por medio de combustibles fósiles está evolucionando en las tecnologías de generación y las estrategias de planeación de la red eléctrica [ I ] .

Las fuentes de energía convencionales provenientes del niedio ambiente tienden a agotarse con relativa rapidez debido, como ya se planteó, a su uso irracional. Es decir, se tiene la preocupación de la disniinución de las fuentes de petróleo, gas natural y las fuentes naturales de carbón que se ha ido intensificando Por esa razón, el esfuerzo por

La generación iermoelécirica conlriúuye de !,lanera sigitijica/iva a la eiiiisión de gases ióxicos adeaiós de los que producen el efecio invernadero.

encontrar nuevas fuentes de-energía, permite la disminución del uso de fuentes naturales de combustible dándose un cambio en todas las áreas científicas y tecnológicas en el mundo y especialmente en el campo de la ingeniería eléctrica [3].

Hoy día, de un cuarto de siglo después de la llamada crisis deli~elróleo, muchas de las tecnologías de aproveciiainiento de energías renovables Iian madurado Y evo~ucionado, auinentando SU confiabilidad y mejorando Su rentabilidad Para muchas aplicaciones; considerándose así como una de las claves para reducir gradualmente la depeiidencia de combustibles fósiles en ia generación de energía eléctrica. Como resultado, países como EU, Alemania, España e Israel presentan un crecimiento 111uY

acelerado el1 el número de instalaciones que aprovechan la energía solar directa O indirectamente [4].

De estas tecnologías hay dos que han alcanzado la madurez necesaria para iticursionar en el mercado energético: la eólicd y la solar. De manera muy general, se afirma que: “La energía solar aparece como una alternativa importante para el incremento del consumo energético del planeta, dado que la cantidad de energia solar que arriba a la superficie de la tieria en 1 día es 10 veces más que la energía total consumida por toda la población mundial en 1 año” [5] ; y “que la Republica Mexicana recibe en 6 horas de exposición al sol, la misma cantidad de energía que consumirá durante todo 1 año” [6] .

De las dos tecnologías mencionadas, los aerogeiieradores constituyen la más competitiva de ellas; sus costos en sitios de buen poteiicial eólico son actualmente similares a los de plantas turbo generadoras de gas que se usan para generación de demanda pico. La segunda de ellas es la fotovoltaica (FV); su aplicación está en sistemas autónomos generalmente alejados de las líneas de distribucióii debido a su situación geográfica para las cuales representan la opción más económica. Si bieii sus costos directos aun no compiten con las tecnologías de generación convencionales, algunas evaluaciones económicas recientes muestran que, si se toman en cuenta los costos indirectos de la generación y distribución de la energía eléctrica, los sistemas fotovoltaicos (SFV) se encuentran cerca de la viabilidad económica en sistemas que interactúan con la red eléctrica [7], es decir, sistemas interconectados a la red.

El éxito comercial de la tecnología FV es todavía incipiente, pero el crecimieiito del mercado es estable y obedece a varias condiciones: es una de las formas de generación eléctrica más apropiada con el entorno ecológico; la conversión solar-eléctrica se realiza de manera limpia y directa; la vida útil de los módulos es de 30 años. No depende de energéticos externos por lo que tienen un alto grado de autonomía. Además, la sociedad cada vez más tiende a exigir a sus gobiernos el respeto al medio ambieiite, sobre todo por parte del sector energético [7].

Además de la riqueza en energéticos de origen fósil, México cuenta con un potencial muy importante en cuestión de recursos energéticos renovables, cuyo desarrollo permitirá al país contar con una mayor diversificación de fuentes de energía, ampliar la base industrial en un área quc puede tener valor estratégico en el futuro, y atenuar los

2

impactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de las formas de energía convencionales [6] .

1.2 USO de la energía eléctrica

Como efecto de las fuerzas de mercado, la creciente demanda de energía ocasionó que precio del petróleo Se ekvara y que se mantuviera una tendencia a la alza hasta

insostenibles. Simultáneamente, el USO intensivo de los energéticos estaba produciendo un Serio deterioro del medio ambiente debido a las emisiones, producto de la combustión de los energéticos de origen fósil.

En 1973, los paises industrializados que son, por ende, grandes consumidores de energía, iniciaron diversas acciones para hacer un menor uso de energéticos sin perder los beneficios económicos y sociales y, a la vez, proteger y mejorar el medio ambiente [8], puesto que es bien sabido que los grupos sociales alrededor del mundo están demandando alternativas “limpias” para sus necesidades de energía.

Según Rogelio Covarrubias en [8], el análisis comparativo de la eficiencia energética en México contra países industrializados muestra que mientras nuestro país indica una tendencia creciente, en los países industrializados la tendencia es a la baja, signo inequívoco de un mejor uso de los energéticos.

En México, se está desarrollando la infraestructura requerida para emprelider acciones y proyectos de ahorro de energía; se cuenta con programas como PAESE (Programa de Ahorro de Energía del Sector Eléctrico, de CFE, enero 1990) y el FIDE (Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica); el CHV (Cambio de Horario de Verano) [9] o diversos organismos como la CONAE (Comisión Nacional para el Ahorro de Energía), empresas de ingeniería, centros de investigación, centros de enseñanza superior con capacidad para apoyar acciones de difusión y promoción, así como.para realizar proyectos sobre ahorro de energía [8].

En nuestro país la energía se produce y consume en seis grandes sectores: energía, transporte, industria, comercio, servicios y residencial o doméstico. En seguida se presenta el consumo de energía que se tiene por parte de los sectores industrial y residencial.

, .

II

7.2.1 Consumo de energía El sector energía es el principal consumidor de energía primaria en el pais. En

1996 tuvo un consumo total de 45.4 millones de TEP’ que significan 33.1% del consumo nacional de energía, desglosado en lo siguiente: autoconsumo, 15.8 millones (lO.90/); transformación, 26.9 millones (1 8.6%), y pérdidas por distribución, 2.9 millones (2.0%) [81.

’ Toneladas Equivalentes de Petróleo

3

CENIDET Capitulo I. Attiecederlies

1.2.2 Sector energía EI sector energía está integrado principalmente por Pemex Y la CFE. El consumo

de energía es un indicador del nivel económico, social, científico Y t ecnokico de 10s paises, México, Pemex Y la CFE cubren un área estratégica y fundamental de la economía, y sustentan en forma importante el nivel de vida de la población. Además de abastecedores de energéticos, también son grandes usuarios de energía y sujetos a la aplicación de medidas para mejorar su eficiencia energética y ofrecer productos de mejor calidad y competitivos en el mercado [8].

La CFE consume energía en la producción de energía eléctrica. Este consumo comprende la propia generación, así como las pérdidas en transmisión y distribución (TyD). Las centrales de generación de la CFE son principalmente termoeléctricas que usan gas natural, combustóleo y carbón; además, cuenta con centrales hidroeléctricas, geotérmicas y nucleoeléctricas.

En el sector eléctrico, el consumo propio tiende a reducirse debido a la aplicación de programas de ahorro de energía y del incremento de eficiencia energética.

solo como ejemplo, en la actualidad se afirma que México cuenta con suficientes reservas de gas natural, aunque se tiene el problema que el abasto de gas natural está relacionado con la oferta futura de energía eléctrica, ya que en los próximos nueve años 60 Yo de la electricidad que producirá será con gas natural, mientras que ahora dicho combustible se ocupa en 20 % para ello3 [IO].

1.2.3 Sector residencial Debido al crecimiento demográfico y al incremento de costos de producción, así

como a la reducción de las reservas de petróleo del pais, cada día es más costosa la adquisición, producción y distribución de los energéticos que se consumen en el sector residencial, representado por casas habitación, edificios de departamentos y unidades habitacionales.

Los energéticos consumidos en el sector residencial, comercial y de servicios se utilizan principalmente en iluminación, preparación de alinzenios y acondicionanziento del ambienfe (aires acondicionados), siendo la leña (6.0 millones de TEP), el gas LP (8.9 millones de TEP) y la electricidad (3.79 millones de TEP) los de mayor consumo [8].

1.2.4 Administración de la demanda Tradicionalmente, el crecimiento del sector eléctrico se ha enfocado en satisfacer,

con la anticipación y márgenes necesarios, el crecimiento de la demanda, utilizando técnicas de proyección con base en los parámetros tradicionales: tendencia de crecimiento, crecimiento demográfico, número de usuarios, desarrollo industrial y comercial, PIB, etcétera [8].

’ información de la CFE, notas informativas, 16 de juiio de 2001

4

Cn/,¡tulo I. Airiecedeirtes CENIDET

Por otra Parte, hay factores que se han vuelto importantes en la plaiieacióll de la oferta de eiiergia eléctrica, como por ejemplo, el incremento en el precio de los energéticos, el cuidado del medio ambiente y la incertidumbre eii el comportamiento de 10s costos financieros de las inversiones en generación. Esta situación Iia despertado el interés de los planificadores por integrar al proceso factores que influyen en la demanda: al considerar que una reducción de la demanda automáticamente se refleja eii u11 alivio a la oferta [8].

Los objetivos de administrar el comportaniiento de la demanda son crear una mayor conciencia y convencer a los usuarios para que modifiquen sus hábitos de uso, reinodelen o renueven sus instalaciones productivas, coordinen sus procesos de producción en forma eficiente, cambieii sus equipos y aparatos por aquellos que ofrezcan mayor eficiencia energética y, en general, mantengan un programa continuo de adininistracióii de la energía dentro de sus instalaciones, integrado a SUS piaiies de mejora coiitinua y a sus estrategias para alcanzar o maiitener su coinpetitividad eii el mercado 191 (ver figura 1.1).

5

CENIDET Capítulo I. Aittecedentes

El concepto de planeación integral de los recursos (IR)’, por SUS Siglas en inglés), actualmente en práctica en muchos países, considera dos aspectos en forma integrada: 10s recursos aplicables al suministro de energía eléctrica y la adniinistracióii de la demanda. La administración de la demanda busca el equilibrio entre la oferta y la demanda.

Se entiende por adi~iinistración de la ofei./a las inversiones en infraestructura eléctrica, la operación y el niantenimiento de dichas instalaciones.

Se entiende por adminis/ración de la demanda la reducción de la demanda pico, la adecuación de las tarifas eléctricas a las condiciones reales, la conservación y el ahorro de los energéticos, y el crecimiento estratégico de la carga.

En consecuencia, la relevancia para el sector es la optimización y el diferimiento de las inversiones, la reducción de pérdidas, el uso eficiente de la energía y la disminución de emisiones contaminantes, entre otros,

La administración de la demanda de energía ya ha sido aplicada durante varios años en diversos países, incluyendo a México. Se lian desarrollado diversos métodos para identificar las oportunidades, así como procedimientos para evaluar el diseño, el desarrollo, la evaluación, el seguimiento, el costeo, etcétera, de programas en los distintos usuarios y sus sectores.

En el caso de México, desde hace varios años se han iniciado proyectos asociados con el uso eficiente de la energía como una forma de racionalizar el uso de los energéticos y conservar el ambiente; sin embargo, la utilización de la administración de la demanda como una mejor opción para la aplicación de los recursos de inversión está en su inicio.

Respecto a los tipos de programas, los principales son aire acondicionado, alumbrado y su control, aislamiento térmico, refrigeración, tarifas especiales, equipos y aparatos eficientes, control de carga de motores, motores eficientes y procesos industriales [8].

Pon lo anterior, se puede ver que en nuestro país es urgente tanto el ahorro y uso eficiente de la energía, como la preservación del medio ambiente. Solo por citar algunos ejemplos palpables por la sociedad, se tiene: el control vehicular, implantación de transporte eléctrico en las grandes urbes, CHV, la venta de lámparas y equipos electrodomésticos más eficientes, campañas publicitarias para la concieiitización de la población, etc. Y además la aplicación más rigurosa de las normas de calidad en todas las áreas involucradas. Eii lo que respecta a la energía eléctrica, es necesario impulsar y promover su ahorro y uso eficiente, brindando el apoyo tecnológico necesario para que las instalaciones del sector eléctrico y de los usuarios de energía eléctrica logren reducir el consumo, la demanda pico y la tasa de crecimiento de la demanda de energía eléctrica, y de esta manera conservar el medio ambiente y los recursos del sector eléctrico.

De acuerdo a [8], dentro de las áreas de oportunidad que se liin identificado y que tienen especial importancia, no sólo por su carácter social sino también por su clara contribución a la reducción de la demanda máxima de energía eléctrica, destaca el sector

6

CENIDET Cfl~~ilulo I. Aiifecede~ries

donzéstico, eii donde se han identificado tres áreas de particular iiiterés: ilu~ttinación residencial, acondicionantieitto ambiental de la vivienda y norr~talizaciói~ de la eJciencia energélica de ‘aparalos elecirodonlésticos.

1.3 Calidad de la red eléctrica

1.3.1 Generalidades Generalmente el nivel de calidad de un sistema eléctrico de potencia se ve

afectado por una serie de perturbaciones debidas a causas externas (p. e. fenómenos atmosféricos), a la operación tanto del propio del sistema, como de los equipos consumidores. Actualmente existe una tendencia eii la proliferación de equipos que exigen mayores niveles de calidad en el suministro eléctrico. Además, tiende a crecer el número de equipos cuya operación normal genera perturbaciones en el sistema eléctrico. Se estima que a partir del año 2000 aproximadamente el 80% de las cargas de corriente alterna son total o parcialmente electrónicas [ I I], [i2] y en coiisecuencia, posibles perturbadoras de la red [ 131.

Lo expuesto anteriormente proporciona una introducción al concepto de “calidad de la red” (Power Quality), y con el fin de dar mayor precisión a este concepto se describirá los tipos de perturbaciones más frecuentes en la red y las cargas más susceptibles a estas [ I 31.

1.3.2 Perturbaciones de la red eléctrica En un sentido amplio, las interferencias electromagnéticas (EM1 por sus siglas en

inglés) se pueden definir como señales de tipo electromagnético que perturban la operación normal de un sistema eléctrico o electrónico afectando sus magnitudes eléctricas. El tipo de perturbaciones consideradas en esta sección son aquellas que se catalogan como perturbaciones de baja frecuencia y que se propagan por conducción. Este tipo de perturbaciones se manifiesta en una alteración transitoria o permanente de la forma de onda de tensión de la alimentación, que idealmente es perfectamente sinusoidal. Es importante observar que el origen y la propagación de tales perturbaciones depende tanto de la parte del sistema eléctrico propiedad de la compañía como de la parte del usuario. En la figura 1.2 se muestra el esquema simplificado de un sistema eléctrico de potencia [14].

7

CENIDET Capiiulo I. Aitiecedeizics

Usuarios Cornpatila i-

Alto Voltale Medio Voltaje

Figrirn I.2.- hqzierna de la red de ,suiiiiiii,stro elécli-ico.

Puede observarse cómo la tensión de suministro de la red de baja tensión quedará afectada tanto por una perturbación en la propia instalación del usuario, como por una perturbación producida en la red de niedia tensión. Esto se debe a la existencia de una impedancia equivalente de la red diferente de cero. Las impedancias Z3 y 24 tienen valores elevados comparadas con 21 y 22, lo que equivale a decir que una perturbación producida por el usuario, salvo en cargas de gran potencia, afect,ará a la red en mucha menor medida que aquellas producidas por la compañía.

Las impedancias Z I , Z ~ , 23 pueden sustituirse por su equivalente de tal forma que cada fase de la red se representa por un generador ideal de tensión en serie con una impedancia Z. A esta impedancia interna de la red en un punto determiiiado se le conoce con el nombre de impedancia de corto circuito en dicho punto (&c), y es la impedancia que se presenta al equipo conectado a la red de distribución [ 151.

De acuerdo al parámetro de onda afectado, es posible realizar una clasificación de las perturbaciones de la red. En la tabla 1.1 se establece dicha clasificación y en el apéndice B, se muestran las formas de onda de cada perturbación.

Tabla I.I.- Clasificación de lasperfurbaciones eii la red eléctrica.

Ruido en modo comuii Variaciones lentas de tensión Variaciones rápidas de tensión

8

A coiilinuación se presenta una breve descripción de las perturbaciones de la red eléctrica.

Perturbaciones de amplitud Dentro de estas perturbaciones se considerati todos aquellos fenómenos que

modifican la tensión de su forma sinusoidal ideal. Pueden presentarse entre las tensiones fase-fase o tensiones fase-neutro. La duración y magnitud de la perturbación determina el nombre de identificación.

Las causas que originan perturbación son: descargas atmosféricas, funcionamiento de maquinas eléctricas con escobillas; soldadores de arco; equipos electrónicos (rectificadores, variadores de velocidad, etc.); variaciones de tiempo en la demanda de potencia (inicio de funcioiiamieiito de equipos de gran potencia); corto circuitos en la red eléctrica; reconexión de zonas de distribución eléctrica, entre otras.

Los efectos de las perturbaciones sobre los sistemas eléctricos pueden manifestarse de muchas maneras. Las más comunes son: degradación y destrucción de aislamientos; fallos de equipos electrónicos; descargas eléctricas a usuarios; acortamiento en la vida útil de los sistemas; activación indebida de protecciones del sistema; parpadeo visible en los sisteinas de iluminacióii; funcionamiento anómalos de equipos eléctricos y electrónicos (dispositivos industriales prograinables, tornos de control numérico, computadoras, etc.); y paro total de líneas de producción [ 151.

Distorsión armhica Puede definirse como una desviación permanente de la onda de tensión respecto a

una onda sinusoidal pura. Un paráinetro importante es la distorsión armónica total (DAT ó THD por sus siglas en inglés). A través de este parámetro es posible evaluar el grado de distorsión de la forma de tensión o corriente en un sistema eléctrico de potencia.

'8

Suele producirse distorsión cuando funcionan máquinas eléctricas con iiúcleo magnético saturado y ciertos convertidores estáticos, tales como rectificadores, fuentes conmutadas y otras cargas no lineales. En general, todos los convertidores electrónicos de potencia (incluyendo los utilizados para proteger cargas sensibles) puedeii contribuir a aumentar el nivel de perturbaciones presentes en la red distorsionando la forma de tensión de la misma debido a las corrientes armónicas inyectadas a la red.

Carga

v, = v, - ZCCI, VCA . Otras Cargas

Figura I.3.- Red eléctrica aliiiieidaiido diversas cargas.

9

CENIDET Capítulo I. Aiitecedenlcs

para ilustrar 10s problemas ocasionados por 10s armónicos de corrien!e considérese el circuito mostrado en la figura 1.3. Puesto que el valor de la iln~edalicia interna de la red no es nulo (representada como zcc en la figiira), la circulacióii de las componentes armónicas IK de corriente provocarán caídas de teiisión en la citada impedancia, 10 que ocasionará que la forma de onda de la tensión eii el Punto de conexión común (PCC) a otras cargas quede distorsionada. Los equipos conectados en el PCC serán afectados por la contaminación armónica debida a la carga contaminante.

Otros problemas directamente relacionados con un excesivo contenido armónico de corriente en uti sistema de potencia son: la potencia que pueden manejar las líneas de distribución es menor; reducción de la vida útil en maquinas eléctricas rotativas; sobrecalentamiento en banco de condensadores usados para corregir el factor de potencia (FP), reduciendo la vida útil; interferencia con líneas de comunicación y redes de computadoras, e incremento de pérdidas en equipos estáticos como traiisforniadores [ 151.

Variaciones de frecuencia Son alteraciones del valor nominal de la frecuencia de red.. Actualmente, debido a

la interconexión de los centros de generación, no se presentan variaciones apreciables y permanentes bajo condiciones normales. Sin embargo, en redes aisladas como plataformas de extracción petrolera, barcos, islas y cualquier sistema de generación autónomos si pueden presentarse con más facilidad. .

Entre los efectos se encuentran la actuación de protecciones de sub-frecuencia y el funcionamiento incorrecto de motores asíiicronos y síncronos [ 151.

Desequilibrios Es la desigualdad entre las amplitudes y desfases de las tres tensiones de un

sistema trifásico. Tienen su origen en las grandes cargas monofásicas repartidas de manera irregular entre las fases de la red, tales como hornos de iiiducción subestacioiies de tracción y equipos de soldadura. Entre sus efectos se pueden mencionar la aparición de un campo inverso en las maquinas eléctricas rotativas, circulación de corrientes en el neutro, incremento de pérdidas en transformadores [ 1 j].

1.3.3 Cargas críticas Las cargas críticas son aquellas cuyas características de alimentación pueden ser

clasificadas dentro de alguno de los siguientes aspectos: elevada seguridad (debido a la importancia de la función que cumplen); y excelentes características de la forma de onda de tensión de alimentación (iiecesaria para su correcta operación).

Algunos ejemplos de cargas con las características mencionadas anteriormente son: computadoras y periféricos; controladores lógicos programables (PLC, por sus siglas en inglés); equipos sanitarios vitales; insírumentación electrónica industrial; equipos y sistemas de transmisión; equipos de radiocomunicación; equipos espaciales y militares; y equipos de control en centrales nucleares.

10

La gra11 cantidad Y diversidad de cargas hace dificil la generalizacióii de 10s requerimientos de calidad de aliinentación de las mismas. En 10s ”Itimos años, a consecuencia del alto incremento que han experimentado las cargas críticas y las cargas perturbadoras, se ha trabajado internacionalmente por especificar niveles de imnuiiidad para los equipos, así como niveles de emisión de perturbadores.

El documento IEEE-446 fija niveles de inmunidad mediante gráficos referentes a niveles de perturbación admisibles por cargas críticas; aunque existen diversos estudios que lo critican poniendo de manifiesto la existencia de diversas iinprecisiones en las definiciones que contiene, dando lugar a diferentes interpretaciones [ 151.

Los requerimientos de seguridad de las cargas críticas pueden cuantificarse por ciertos parámetros definidos con base en la confiabilidad del sistema, tal como el tiempo medio entre fallos. En general la calidad y seguridad de las instalaciones del suministro eléctrico son muy variables de un país a otro, inclusive dentro de un mismo país en zonas diferentes. La normativa existente establece límites tanto a los niveles de perturbación presentes en la red, como a los niveles de contaminación eléctrica generada por los equipos consumidores [15].

1.3.4 Responsables El problema de calidad de la red eléctrica tiene varios responsables. En contraste

con el modelo clásico “cliente-compañía eléctrica” según el cual en el aseguramiento de la calidad solamente estarían involucradas estas dos partes. Hoy está plenamente aceptado que hay más elementos implicados a saber:

- La conzpafiía eléctrica, cuyo papel es definir y garantizar la calidad del servicio proporcionado ai cliente.

- El fabricante de equipos eléctricos, cuyo papel es colocar productos en el mercado que cumplan las normas de interferencia y contaminación eléctrica.

- El usuario, cuyo papel consiste en asegurar que su instalación, enlace con el sistema de distribución y los equipos, estén diseñados adecuadamente y el conjunto de su instalación y cargas no produzcan perturbaciones eléctricas en la red pública. .

- El gobierno y organisnms correspondientes, que han de elaborar normas y reglamentos que establezcan exigencias razonables.

- Los investigadores, quienes deben profundizar en el estudio del sistema y proponer soluciones técnica y económica viables.

En lo que respecta a la compañía eléctrica, ésta podrá satisfacer las necesidades del usuario de dos formas: elevando el nivel de calidad del servicio de toda la red eléctrica con el fin de satisfacer de manera adecuada a las cargas criticas, y adaptaiido el

0 2 - 0 5 2 0 - 11

CENIDET Capíiulo I: AiiiecedertIes

nivel de calidad en puntos específicos de la red al requerido por el usuario exigente. Obviamente, la primera opción es de elevado costo, dado que iiiiplica mejoras a 10s componentes de las instalaciones eléctricas (centrales, líneas, traiisforniadores. etc.). En el segundo punto se pretende solucionar el problema manteniendo el nivel general de calidad e instalando “adaptadores” (acondicionador de tensión) para satisfacer las necesidades de los usuarios exigentes, con aplicación de tarifas especiales [15].

Por otro lado, un usuario en cuya instalación existan cargas que iiitrodiizcan perturbaciones eléctricas a la red, estará obligado a limitar dichas perturbaciones. Por lo tanto, habrá de instalar equipo adecuado para lograrlo (acondicionador en corriente). Los acondicionadores en corriente y en tensión pueden estar separados o formando en conjunto un acondicionador de tensión y corriente; opción justificada puesto que los equipos sensibles suelen ser también contaminantes de la red [15].

1.4 Planteamiento del problema

1.4.1 Picos de demanda máxima

Figura 1.4.- Gráfica coiiiparafiva de un pico de detilanda iilririsio enire un día de veranoy uiio de iiivierno [16].

Los usuarios del servicio eléctrico esperan que en cualquier zona que cuente con electrificación, ya sea rural o urbana, puedan disponer en todo momento del suministro de energía en calidad y cantidad suficiente, lo que obliga a las compañías suministradoras a tener la capacidad instalada necesaria para satisfacer por completo la demanda de los mismos.

Sin embargo, sucede que la demanda de energía no es constante, sino que presenta variaciones diarias y estacionales; por ejemplo, en la Ciudad de México la demanda es máxima debido al uso de luz artificial; en el periodo de invierno empieza a las 18:lO y en verano a las 20:27 horas [16], lo cual provoca un uso ineficiente de la capacidad

12

Cnl,ílfrlo I. Afilecedertres CENIDET

Ahora, en la figura 1.4 se muestran dos patrones de consu1no diario de energía en la zona noroeste del pais; correspondientes al periodo de verallo e invieriio,

LOS problemas que enfreiitaii las compañías proveedoras de electricidad los denominados “picos de demanda” (figura 1.4). Este término se refiere a la demanda de energía eléctrica por parte de los usuarios, que no es constante a lo largo del día, sino que presenta valores máximos en determinados horarios. Dichas compaliias deben teller la capacidad de satisfacer la denianda máxima, aun cuando la demanda proinedio, por lo geiieral, su valor es inferior, esto representa un uso ineficiente de la capacidad instalada, lo que refleja la ya comentada ineficiencia energética.

Por otro lado, para el caso de los usuarios residenciales la magnitud y duración del pico de demanda depende de varios factores; entre ellos y el más importante, la temperatura promedio durante el día. CFE ofrece tarifas preferenciales (siibsidiadas) a los consumidores que viveri en zonas en las que la temperatura promedio es superior a otros lugares, con la finalidad que puedan emplear equipos de aire acondicionado, sin resultarles demasiado costoso. En el apéndice A, se presentan las tarifas del sector energético nacional, mi como la comparación del consumo, entre verano e invierno, de un usuario en el noroeste de México [ 171.

En el caso especifico de las localidades del norte del pais, con temperatura promedio elevada, el pico de demanda coincide con las horas de mayor indación (ver figura 1.5). Por 10 tanto, consumir y suministrar energía eléctrica en el verano resulta más costoso, sobre todo durante los picos de demanda máxima, ya que en este momento tanto la compafiía suministradora como los usuarios del servicio, se ven seriamente afectados, reflejándose en su propia economía.

im

Figura 1.5.- Irradiancia salar de un día despejada en verano.

13

CENIDET Capítulo I. Aiitecedentes'

V, Generador v,

Generador Auxiliar Auxiliar

Subestación

vm Generador

Auxiliar

. . . . . . . . . . .

usuano Residencial

Figiira I.6.- Esquenia de genet adores auxiliares FV coriec/adas a red

De lo anterior, resulta lógico pensar en instalar cogeneradores auxiliares interconectados a la red eléctrica, que sean alimentados con celdas FV y aprovechen la energía natural del sol en esos periodos tan críticos (figura 1.6), inyectándola a la red misma. Se tendrá así una solución para reducir los picos de demanda máxima, de manera que las plantas generadoras de CFE operen en regímenes de carga lo más constantes posible [17]. Además de ser una alternativa apropiada para generar electricidad en forma limpia y sin daño al medio ambiente.

1.4.2 Contaminación armónica La preocupación por la calidad del suministro y consumo.de la energía eléctrica

ha aumentado considerablemente en los últimos años, principalmente por la proliferación de cargas no lineales (CNL) en todos los niveles de potencia (doméstico, comercial e industrial). El beneficio que se obtiene con el uso de estas cargas es indiscutible desde el punto de vista de flexibilidad en el control de procesos y de viabilidad económica; sin embargo, influyen significativaniente en la disrniiiución de la calidad en la potencia utilizada, generando perturbaciones y/o distorsiones de tensión y/o de corriente. Un problema importante que surge a raíz de emplear CNL es el intercambio de energía reactiva con el sistema, con valores eficaces que suelen ser niuy superiores a los valores medios, y en la mayoría de los casos, presentando consumos de corriente con forma de onda discontinua en semiperiodos de frecuencia fundamental del sistema.

En las últimas 3 décadas se han realizado esfuerzos significativos para mitigar estos problemas en las instalaciones eléctricas, y en los últimos 10 años es notorio el avance registrado en la propuesta de nuevas topologías de filtrado de potencia, así como de estrategias de control. Además, en cuanto a la normatividad se tiene que se hacen periódicas actualizaciones con regulaciones más estrictas (sección 1.4.4) debido al aumento de la contaminación armónica.

14

CnpiIrrlo I. Anfecederrfes CENIDET

La solución más común aún utilizada en aplicaciones industriales para filtrar armónicos de corriente y compensar la potencia reactiva a frecuencia fundamental, es la instalación de filtros pasivos paralelos en las termiiiales de las CNL. Uti filtro pasivo está constituido por uno o más conjuntos de bloques LC de baja resistencia serie con objeto de reducir pérdidas. Sin embargo, esta característica de bajo amortiguamiento puede dar lugar a resonancias entre el filtro y la impedancia de la red, y así amplificar las distorsiones en lugar de atenuarlas. El problema de las resonancias paralelo puede ser anulado empleando filtros activos de corriente [18].

1.4.3 Factor de potencia Para analizar de manera concisa el problema que se tiene con el valor del FP eii

los equipos de las compañías suministradoras de energía, se recurrirá a las ecuaciones 1.1 e 1.2 que definen a la potencia activa (Watts) y a la poteiicia reactiva (Vars), respectivamente, asumiendo formas de onda siiiusoidales.

P = IcV,:, cos(@ ec. (1.1)

Q = IcVusen(6') ec. (1.2)

donde: IC = corriente eficaz (ARMS)

O = .ángulo de desfasaniiento entre corriente y teiisióii VCA = tensión eficaz de la red (VRMS)

Solamente para el caso sinusoidal, el término cos (O) de la ecuacióii I. 1 se conoce como el FP, es decir:

FP = cos(e) ec. (1.3)

El FP se relaciona con las cargas que incluyen elementos que consumen poteiicia reactiva (Q). Tanto P como Q son las componentes rectangulares de la potencia aparente (9, por lo que se puede decir que:

ec. (1.4)

La potencia aparente (S) se discutirá más adelante, en el desarrollo de este trabajo. Ahora solamente se analizará la ecuación 1.3. El valor ideal del FP es la unidad, es decir 0 = O"; y con ello Q = O vars. Se deduce entonces, que cuando el FP se aleja de la unidad, P decrece y Q aumenta. Por ello el valor deseado para la potencia activa es el producto de los valores eficaces de tensión y corriente, suministrados sin que se vea dicho producto atenuado por el cos (O), cuando éste no es unitario.

La compañía suministradora de electricidad, realiza su facturación con base en la potencia activa consumida por sus usuarios (Watts) - no hace cargos por la potencia reactiva (Vars) que también es demandada a sus líneas-, lo que significa entoiiccs que, al

15

CENIDET Capítulo I. Antcccdeiites

ser el FP distinto a la unidad, la compañía deja de percibir ganancias por concepto de energía consumida, io que hace que la eficiencia energética de esta sea muy pobre. Por ello, en México la CFE establece formulas de bonificación para facturar a los usuarios cuyo FP este por arriba de 0.9; o en su defecto, aplicar multas a aquellos que su FP este por debajo de la norma (0.90 indu~tivo)~.

En io que respecta a sistemas de cogeneración, puede ocurrir el caso en que un usuario residencial tenga un SFV que satisface por completo sus necesidades de potencia activa. Si la corriente de salida que produce el SFV no está exactamente en fase con la tensión de red, el sistema estará generando tanto potencia activa como reactiva. Si además esta última es aditiva con la potencia reactiva demandada por el resto de los aparatos que el usuario tiene conectados a la red, se llega a una situación incongruente en la que la compañía proveedora no solo deja de percibir un ingreso por concepto de venta de energía activa, sino que además tiene que proporcionar la potencia reactiva demandada por el conjunto usuario-SFV [i9].

Por esta razón, el enfoque del presente proyecto es que no solamente se inyecte potencia activa, sino que también se compense potencia de distorsión (D); es decir la potencia demandada por los armónicos de la carga, que es la causante de varios daños a los equipos eléctricos de la conipaliía, como se comentó con anterioridad. Por lo tanto, si la potencia reactiva (Q) y de distorsión (D) generadas por el sistema son sustractivas con respecto a la demanda del resto de la instalación, la compañía proveedora verá disminuida la demanda de potencia reactiva y de distorsión [19].

1.4.4 Norinatividad La generación y distribucióii de la energía eléctrica se encuetitraii estrictamente

reguladas; existen lineamientos que marcan las condiciones en la que esta energía se distribuye a los consumidores. Como se ha comentado, se han realizado periódicas actualizaciones en la normativa referente a distorsiones y perturbaciones; por ejemplo la IEEE-519 (aplicada a sistemas de potencia) revisada en 1992 y la IEC-555 (aplicada a equipos) revisada y convertida en la IEC 1000 en 1995 (o su equivalente la IEC GI000 [20]), con regulaciones más estrictas debido al aumento de la contaminación armónica. El proceso de actualización no concluye, pero se pueden considerar como referencia estos otros documentos: Norma EN 60500, ANSI-EEE-446 y ANSI-EEE-529, revisada esta última en 1992 [IS]. En México, se tiene la especificación CFE LOOOO-O2 [21], en lo referente al suministro de tensión; y la especificación provisional CFE LOOOO-45 [22], en la normatividad referente a las perturbaciones en la red eléctrica.

La salida de un SFV conectado a la red eléctrica debe considerar las regulaciones pertinentes marcadas en los lineamientos correspondientes a la generación y distribución de la compañía eléctrica, tales como contenido armónico, FP, nivel de tensión y frecuencia, parpadeo, etc. En seguida, se tienen dos ejemplos: a).- La norma IEEE 929- 200 toca los siguientes puntos relevantes: ventanas de operación dé tensión y frecuencia;

4 Iiiip://www.cfe.gob.mx/lineamientos

16

CENIDET capítulo I. Aiifecehr fes

tiempo de corrimiento para excursiones en dichas ventanas; requerimientos referentes a la distorsión en la forma de onda; y define un inversor no “aislado” [23]. b).- La norma IEEE-519 establece que los armónicos deben limitarse de manera que la THD de tensión, no exceda el 5% en el primario de la línea de distribución ó 8% en el secundario 1241.

1.5 Justificación

filtro tanto

Interconectar con la red eléctrica un sistema de cogeneración con funciones de activo, basado en celdas FV, implica beneficios de carácter técnico y económico, al usuario, como a la compañía suministradora, además de los consabidos

beneficios sociales al proteger el medio ambiente, al desplazar el uso de combustibles fósiles para la producción de electricidad. Estos beneficios están relacionados con los esquemas de generación distribuida.

El sistema de cogeneración presentado en este trabajo, está planeado para inyectar potencia activa y reactiva a la red eléctrica. La inyección de potencia activa es para coadyuvar a la reducción de los picos de demanda en localidades de clima caluroso del país, donde la hora de demanda máxima coincide con la hora de máxima irradiancia solar. La inyección de potencia reactiva es para compensar la corriente reactiva y armónicas demandada a la red por cargas no lineales; disminuir la contaminación armónica de la red eléctrica y con lo anterior mejorar el FP. Además, no es necesario contar con un medio de almacenamiento (baterías químicas), por lo que se reduce el costo de inversión, puesto que no será necesario el mantenimiento periódico de éste.

El sistema desarrollado produce formas de onda de corriente de alta calidad y realiza el seguimiento del punto de máxima potencia (PMP) del banco de celdas solares, lo que garantiza que siempre se inyecta a la línea la mayor cantidad posible de energía. Por lo tanto, el sistema de cogeneración presentado es un diseño con más prestaciones Y con mayor factibilidad económica que uno común en el mercado.

1.6 Revisión del estado del arte

1.6.1 Sistema fotovoltaico Se presenta lo relacionado con los problemas técnicos de la interconexión. La

interfaz entre un sistema fotovoltaico (SFV) y la red eléctrica, es el inversor. Éste toma la señal de CD del arreglo FV, con cierta tensión, y la convierte a una selial de CA en su salida con tensión (o corriente, según sea el caso), frecuencia y número de fases determinados (normalmente son I $ ó 34). Por lo anterior, la señal de salida del inversor se debe adaptar a las condiciones de la red en el punto de interconexión sin causarle perturbaciones ni cambios en las especificaciones de suministro al resto de los usuarios.

‘8

La mayoría de las topologías de inversores se basan en el circuito de potencia tipo puente, sin embargo existen varias configuraciones posibles de los elementos que conforman el sistema completo, de acuerdo con factores como: el tipo de interruptores de

’

17

Cupitiilo I. Aiilecederifes CENIDET

potencia, esquema de control, método de síntesis de la seííal, parámetro eléctrico que es modulado, frecuencia de conmutación de los interruptores de potencia, número de fases, etc. En la tabla 1.2 se tiene un resumen de los rangos de operación de los inversores según su tipo, como una guía del estado actual con base en los interruptores de potencia actuales y prácticas de diseño más comunes [ 2 5 ] .

Tabla 1.2.- Resunien de rangos de operación de iiiversores segúii su tipo

Freciieiicia de Coriiiiii facidii Corrrnrifución Modiilado I Raiigo (le Poiericia Parhierro

I I I 7ltl I 5 kHz - 20 kHz I peq. a med. (5-50 kW)

En la tabla 1.3 se presentan las ventajas y desventajas que existen entre los inversores con control de tensión y de corriente. En ella se tiene que el FP se ve afectado para el caso de los conmutados por línea, controlados en corriente. Además, normalmente su frecuencia de conmutación depende de la señal de tensión de la red y en la salida se tienen bloques de corriente cuadrados o trapezoidales, por lo tanto el contenido armónico es alto. Los SFV que tienen este tipo de inversores compensan el FP utilizando filtros pasivos conectados antes de la interfaz con la red; y anulan la contaminación con filtros de salida. Cabe señalar que un factor justificante, en este tipo de clasificación es la potencia que se maneja [ 2 5 ] .

Control de Corriente

(Autoconmu tado, PWM)

Control de Corriente

(conmutado por linea)

Control de Tensión ( P W W

Tabla 1.3.- Resumen de ventajas y desvenlajas de iiiversores segiifi su tipo.

de potencia activa y reactiva

sobrecorriente

o cualquier tipo de carga no lineal Protección inherente contra

Limitado a capacidades < 50 kW

FP requiere compensación

Bajo contenido armónico (fácil

FP ajustable (normalmente unitario) filtrado)

8

Tomando en cuenta que el presente trabajo de tesis se basa en uti SFV coiiectado a red [ 171 CUYO deseiiipelio fue satisfactorio y eficiente, pero que únicaniente inyectaba potencia activa5, se da por hecho que los factores seleccionados citados hasta este momento, son los mejores para este tipo de aplicaciones y por ello se utilizaroli en este mismo desarrollo. Por lo tanto, ahora el enfoque del estado del arte se liará a lo referente a los SFV con la calidad de red.

Por lo tanto, se tiene que la tendencia de los SFV es ofrecer más prestaciones, que permitan desarrollar equipos económicos y competitivos. Dentro de las prestaciones y características más relevantes, son: filtro activo para compensar armónicos [26], [27] y [28]; corrección del FP [29]; usarse como balastro en momentos de no haber iiisolacióii [29]; y estaciones de apoyo para redes débiles que se encuentran cerca del límite de su capacidad [30].

En 1990, la empresa Pacific Gas & Electric Co. (PG&E) de California, USA, inició un estudio sobre los posibles beneficios de instalar generadores FV estratégicamente localizados en sus líneas de distribución [31]. En él se identificaron importantes beneficios potenciales al respaldar sistemas eléctricos que están cerca del límite de su capacidad térmica. Como consecuencia, PG&E instaló una planta de 500 kW que ha proporcionado un satisfactorio alivio térmico a la subestación del poblado de Kerman desdejulio de 1993 [32].

1.6.2 Técnicas de detección de corrientes reactiva y armónicas Finalmente, se presenta la investigación existente en torno a las funciones del FA

con las que cuenta el Sistema de Cogeneración desarrollado, enfocándose a los métodos del sistema de detección de corrientes reactiva y armónicas (CRA) para el control de corriente. Dentro de los circuitos de detección de CRA se presentan a continuación los métodos recientemente publicados.

Uno de ellos muestra una configuración de filtro tipo “peine” adaptable con respuesta al impulso infinito, con la finalidad de estimar y recuperar la seiial armónica de un sistema de poteiicia. Se emplea el algoritmo de la Máxima Posibilidad Aproximada (Approximate Maximum Likelihood) para actualizar los parámetros. Esta solución se caracteriza por una carga computacional modesta, capacidad de seguimiento efectiva y provee la recuperación de las corrientes armónicas con poca o ninguna distorsión 1331.

En otro trabajo se describe un sistema basado en un inversor PWM, regulado en corriente, en el que se utiliza el seguimiento constante del error (Error-Tracking Mode), lo que permite la compensación instantánea de la corriente. La corriente que se genera incluye un error de referencia dado [34].

Existe también un método de control para un sistema de compeiisación instantánea de corriente reactiva y supresor de armónicos. Este opera sin sensar la ”

’ Sistema Fotovoltaico de Inyección de Potencia Activa (SFIPA, ver sección 111.2)

19

Capítirlo I. A~ttecedertles I CENIDET

demanda reactiva y las no linealidades presentes en la carga. El proceso de compensación instantánea, se alcanza sin emplear algún control lógico complicado, por ello aumenta la confiabilidad del sistema. El compensador es operado en modo ciclo a ciclo con regulación en corriente para lograr la ventaja de compensar instantáneamente [35].

Un sistema de control semejante al anterior, consiste en obtener una función de error, calculada “en linea”, que es la diferencia entre la corriente de la carga y la forma de onda de referencia generada por el propio control. Dicha señal representa el contenido armóriico de la corriente a compensar y es obtenida mediante la sustracción de la componente activa de la corriente sensada de la carga. La corriente de error generada por la etapa de control puede posteriormente ser procesada por un controlador de corriente para minimizar los errores en estado estable y dinámico de la carga. Luego esta señal se llevará a la etapa de generación de señales PWM utilizando la técnica de comparación triangular [36].

Por último, se tiene que los métodos de detección de CRA convencionales (llámese detección armónica por filtro pasa banda, transformada rápida de Fourier, análisis de Fryze o por la teoría de la potencia reactiva instantánea) son afectados por la distorsión de la tensión, puesto que son sistemas utilizados en lazo abierto, los cuales son sensibles a las variaciones de los parámetros de los componentes y a las condiciones de operación. Esto afecta directamente la precisión de la medición. Una solución que vence estas limitaciones existentes es el método de detección adaptable que se basa en un sistema en lazo cerrado que emplea la cancelación adaptable de interferencias. Sus ventajas son: el ancho de banda se comporta como el de un filtro de 2“ orden que puede ser regulado fácilmente al controlar la amplitud de la entrada de referencia y la ganancia del integrador (esto si se detecta únicamente corrientes armónicas); las características de operación del sistema son casi independientes de las variaciones de los parámetros de los elementos; cuando la frecuencia fundamental se desvía, ocurriendo una distorsión en la fuente de tensión de CA, el sistema opera adecuadamente como si estuviera funcionando normalmente y tiene una capacidad excelente de adaptación [37].

1.7 Aportaciones

Mediante el desarrollo del presente tema de tesis, se lograron las siguientes aportaciones:

Ofrecer una solucióii adicional, para tener el mejor aprovechamiento de la red eléctrica, en los estudios desarrollados en la línea de investigación de Calidad y Ahorro de energía.

Desarrollar un prototipo de laboratorio, nionofásico, con funciones de FA paralelo, del tipo fuente de tensión y salida en corriente; con un circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA) q& optimice el diseño con respecto a soluciones relativamente complejas y cuyo impacto económico es significativo.

20

L r

Figura I. 7.- CoiiJigirracióit general delproloripo.

Además, tomando en cuenta el diseño del sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA) como la plataforma establecida para basar el desarrollo de este trabajo de investigación; en la figura 1.7 se muestra la configuración general del sistema de cogeneración con funciones de filtrado activo integradas; cuyas características son:

Compensar la potencia reactiva. Compensar la potencia de distorsión (fasor D), hasta una frecuencia de 9001iz. Tener capacidad de operar con cualquier valor de P,Q y D, con una potencia S = 1 kVA.

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Capiiulo I. Aiiiecedeiifes CENIDET

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CAP~TULO II

SFV Interconectados a Red 11.1 Introducción

En varias ciudades de países tecnológicamente avanzados, se hace más frecuente observar instalados en techos de edificios comerciales y Iiabitacionales pequeños SFV interconectados con la red, cuyo propósito es generar al menos parte de la energía que consumen; ello se ha visto motivado conforme los costos de esta tecnología han disminuido. Esto muestra que el campo de aplicación de dichos sistemas se amplia, ya que su principal utilidad no será solamente en sitios remotos a donde es dificil y costoso extender la red eléctrica, sino también en donde ésta ya existe, puesto que interactuaráii con ella.

Como se ha comentado en el capítulo anterior, la interconexión con la red de SFV dispersos presenta algunas ventajas para la conipañía eléctrica y para los usuarios, incluyendo la nivelación de carga al reducir los picos de demanda rnáxiiiia, el soporte de tensión y la disminución de pérdidas por transmisión y distribución (TyD) Sin embargo, plantea también algunas cuestiones de carácter técnico y iiorniativo por resolver como son: la calidad de la energía suministrada a la red por parte de los SFV, esto con la finalidad de no degradar la calidad del sistema eléctrico; reglamentos de protección y seguridad; el desarrollo de lineainientos de interconexión; aspectos tarifarios y procedimientos de autorización y contratación con la compañía eléctrica; entre otros [28]. Las metas de esta tesis están orientadas hacia la calidad y ahorro de la energía eléctrica, por lo tanto en este capítulo se tratarán aspectos específicos relacionados con ello.

Se aborda también el tema de la generación eléctrica distribuida, tanto su concepto como sus beneficios, debido al papel que juegan los SFV en este tipo de esquema.

CENIDET Capítulo II. SFV IriiercortecIarios a Red

+- A

Inversor Figurn 1I.i.- Diagrariia a bloqiies de un SFV inierconeciado a red

Por último, se presenta de manera general, las soluciones técnica y económicamente viables utilizadas en la actualidad para incrementar la calidad de la red eléctrica. Se concluye con la presentación de la solución seguida para este trabajo de tesis.

Un SFV interconectado con la red eléctrica es aquel que opera en paralelo con ella. Normalmente existe una carga local ZL (usuario), que puede recibir energía de la red y del SFV o de uno solo de ellos, dependiendo de los valores instantáneos de carga y generación FV. Una instalación de este tipo también se puede denominar SFV interactivo con la red o SFV conectado en paralelo con la red. En el diagrama a bloques de un SFV interconectado con la red eléctrica de la figura 11.1, se tiene el flujo de energía entre el SFV (Espy) , el usuario (EzL) y la red eléctrica (&a). Este último es bidireccional debido a que la red suministra energía eléctrica al usuario; pero si en un determinado momento (P.e. con máxima irradiancia solar) el SFV genera suficiente energía, de manera que supera la demandada por el usuario, entonces se tendrá un excedente que será inyectado a la red eléctrica. Esto Último abre la posibilidad al usuario no solamente de evitar compiar energía a la compañía eléctrica (sobre todo en los picos de demanda máxima, cuyo costo es alto); sino de poder venderle dicho excedente, por lo menos durante ese periodo.

11.2 Aplicación de los SFV interconectados a red

En un extenso estudio presentado en [28] , se estableció que las aplicaciones actuales de los SFV interconectados a red se pueden agrupar en cuatro áreas: sistemas residenciales, estaciones centrales, estaciones de apoyo a la red y sistemas integrados en edificios.

Sistemas residenciales En muchos paises industrializados, el nivel de electrificación es cercano al loo%,

por lo que los SFV autónomos (no conectados a la red) tienen poca aplicación. Por otra parte, la tierra disponible es escasay costosa. Estos dos factores llevaron al desarrollo del concepto de SFV conectados a la red eléctrica instalados en techos de casas habitación y de edificios (incluso fachadas). Este tipo de instalaciones ha tenido gran auge desde finales de la década pasada en Europa y Japón y, en menor escala, en EU. Estos sistemas son generadores dispersos de pequeña capacidad (1-10 kW). La interconexión puede ser

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monofásica o trifásica y se realiza con el sistema de distribución normalmetite en el puiito de la acometida eléctrica 1281.

Estaciones centrales Este concepto deriva del esquema de generación convencional que prevalece eii el

mundo hasta ahora. La generación de potencia base es la nieta más ambiciosa de la tecnología FV; sin embargo, no se encuentra todavía en el nivel de madurez pata tal mercado. La viabilidad de grandes centrales FV está condicionada tanibiéii al desarrollo de tecnologías de almacenamiento eficientes y económicas, dado que la energía FV en principio no es despachable, se produce en la medida en que el recurso solar está disponible. Pese a lo anterior, existen situaciones en las cuales el uso de SFV multimegawatt resulta de interés para las empresas eléctricas, especialmente en sitios donde la mayor incidencia de radiación solar coincide con los picos de demanda máxima.

Estas estaciones son probablemente la primera aplicación de sistemas interconectados que alcance la coinpetitividad económica sin considerar costos externos (emisiones contaminantes) ni incentivos fiscales. Técnicamente son iguales que una estación central. La diferencia estriba en su función y localización especifica dentro del sistema de distribución, características que les confieren ventajas estratégicas; las cuales se expondrán en la sección 11.3.2, puesto que en esta clasificación esta ubicado este trabajo de investigación.

Estaciones de apoyo a la red

s Integración en edificios Eli Europa existe gran interés por la integración de SFV en edificios. Estos

sistemas se distinguen de los residenciales en que son típicamente de mayor potencia y en que el arreglo FV constituye una parte integral de la fachada del inmueble. El concepto ofrece una gran oportunidad de reducción de costos, pues además de evitarse inversiones de terreno y estructuras, los módulos FV substituyen a algunos materiales de construcción. Hay muchos sistemas de este tipo en operación e instalándose en varios países de Europa, lo mismo que en Japón y EU.

11.2.1 Consideraciones para la interconexión

Se dice que una línea de la red eléctrica o una subestación es candidata para interconectarle un SFV de respaldo, cuando presentan las siguientes características: encontrarse cerca del limite de su capacidad térmica; que el perfil de la demanda coincida con el perfil de la potencia de salida de la planta (en otras palabras, la red deberá presentar su pico mayor durante la tarde y preferentemente en verano; esto sucede en redes eléctricas con niuclias cargas de aire acondicionado); que el crecimiento de la carga sea relativamente lento; que existan terrenos apropiados y disponibles en el área para construir la planta. Esto es con el aspecto técnico; sin embargo, a pesar de los programas y proyectos que se han hecho hasta hoy, la interconexión con la red de SFV es todavía objeto de estudio, ya que hay aspectos no resueltos que surgen de las características particulares tanto de las redes como de los usuarios y del tipo de clinia que prevalece

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Capíiulo II. SFV Iníercoiiectndos a Red CENIDET

donde se realiza el proyecto. Estos aspectos se pueden agrupar en tres áreas: protección Y seguridad de los sistenias y personas; calidad de red; y normatividad para ia interconexión [28]. En seguida se abordan dichos aspectos, excepto el caso de normatividad citado en la sección 1.4.4. El caso de calidad de red será ampliado en la sección 11.4.

En México de acuerdo con [38], la Ley actual de Servicio Eléctrico permite que los particulares generen electricidad para su propio consumo, por lo que es posible que al bajar los costos de los SFV, un número creciente de familias pretendan recurrir a esta opción. En general se trata de pequeños sistemas (unos cuantos kilowatts), por ello la ley exime al usuario de la necesidad de permisos para su instalación. En esta circunstancia, las instalaciones pueden darse en respuesta a las fuerzas del mercado, sin la intervención de la autoridad.

11.2.2 Protección y seguridad

Los aspectos de seguridad relacionados con la interconexión de SFV a red tienen una importancia doble, ya que por un lado concierne a los equipos FV y los usuarios y, por el otro, a la red y sus operadores. Los puntos más importantes los podemos listar a continuación: protección para la interfaz; formación de islas (isíaidirzg); y seguridad de las personas [28].

Protecciones para la interfaz Las funciones de detección y eliminación de fallas que se recomiendan para la

interfaz con la red son la desconexión por alta y baja tensión; la desconexión por desviación de frecuencia; los supresores de picos de tensión; la protección contra cortocircuito del lado del SFV; la protección contra sobrecarga del inversor, y la protección contra operación en modo aislado.

Las protecciones para la interfaz deben ser capaces de discernir entre fallas en el sistema de distribución y eventos normales como picos de tensión transitorios, iguales a lo que ocurren por la operación de interruptores de potencia, y caídas de tensión momentáneas como las que suceden al arrancar motores grandes. Otra condición importante es que las protecciones del SFV no interfieran con la operación de las protecciones de la red y que las corrientes inyectadas en la red por generadores distribuidos no perturben la lógica de operación de los sistemas de protección de la red WI.

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CENIDET Cnpítiilo II. SFVIilfercoilecinrloslos n Red

v, v, Generador Generador

A"Xiliar Auxiliar

Subestación

Residencial

V" Generador

Auxiliar

Usuario Residencial

¿ Figurn 11.2 Formación de islas et1 el esquema de generadores FV

conectados a red (lslandii7g)

Formación de islas

En la figura 11.2, se tiene la red eléctrica con un número de SFV distribuidos interconectados a ella. Si la carga de la red es cercana a la potencia entregada por los SFV en Watts y Vars en el momento de la apertura del interruptor en la subestación, la corriente proveniente de la red es nula, dando como resultado que la tensión y la frecuencia en la "isla" se mantengan dentro de los límites normales de operación por un tiempo de varios segundos. Si existe desbalance entre la potencia real y reactiva demandada y generada en la línea mayor que * 20% en el momento de la desconexión, se producirán fluctuaciones de tensión y frecuencia fácilmente detectables; debido principalmente al suministro de energía reactiva por la red eléctrica. Por esta razón, las protecciones contra desviación de tensión y frecuencia se consideran protecciones convencionales contra operación en modo aislado. La condición de operación en modo aislado representa riesgos al personal de la empresa eléctrica, porque pueden entrar en contacto con líneas de distribución eiiergizadas cuando se supone que no lo están. También implica riesgo de daños a los equipos de la red y de los SFV en caso de una reconexión automática con una "isla" fuera de sincronía [28].

Seguridad de las personas La seguridad de los ocupantes de un inmueble que cuenta con un SFV es esencial.

En general, los usuarios del inmueble estarán poco familiarizados con cuestiones de seguridad eléctrica. Por lo tanto, instalar un SFV en el tejado o azotea de un edificio, por razones de espacio y captación de la radiación solar, resulta favorable, sin embargo incrementa los riesgos de accidentes y, por ende, la necesidad de desarrollar heamientos de seguridad para este tipo de instalaciones; puesto que dicha área es de regular circulación de personas

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CENIDE T CuIdtulo 11. SFVlntercorrecludos a Red

11.3 Generación eléctrka distribuida

11.3.1 Concepto En esta sección se describirá el concepto de generación distribuida (“Distributed

power”, en inglés), enfocado a energías renovables como estaciones de apoyo a la red, dado que las soluciones que da el sistenta de CogeneiaCibJt con funciones de ~ “ r a d o acl;vo integradas, forman parte de las metas que se pretenden con este esquema de generación que si bien no es de reciente invención, ai menos Se encuentra en 10s de su desarrollo, Y 10s expertos dicen que este será predominante en 2 6 3 décadas, debido a su apoyo a las compaííías suministradoras de energía eléctrica [39].

La fuente de energía de un SFV es la radiación solar que tiene características muy especiales. Es una fuente muy abundante, pero dispersa: sus patrones de comportainiento tienen componentes cíclicas (noche y dia) y aleatorias (condiciones climatológicas). Las características de la energía eólica, que tiene un papel protagónico actualmente en ei esquema generación distribuida (como en la Ventosa, Oax. en México), son muy similares. Como se ha dicho, después de los sistemas eólicos, los SFV tienen una importancia comercial en el marco de las energías renovables.

Entonces, dada la variabilidad de la fuente de energía solar, pero disponible prácticamente en cualquier lado; la evolución de los sistemas de baja capacidad es hacia la instalación directa en el punto donde serán utilizados. De esta manera, los sistemas quedan ubicados de manera distribuida. Para solucionar el inconveniente de la variabilidad en la potencia de salida se recurrió a la tecnología de almacenamiento ya dominada: las baterías electroquímicas. Esta solución es buena, pero muy costosa; tanto por las baterías mismas como por su mantenimiento requerido. Posteriormente se comprobó que la variabilidad se podía solucionar con la misma red eléctrica, instalando varios sistemas dispersos e interconectados, como una alternativa a la creciente demanda de energía eléctrica. Es así como surgió el concepto de geneiacibn disiribuida [39].

Es de esperarse que el desarrollo de dichos sistemas distribuidos tenga un impacto positivo en la situación energética global, en las economías y en el medio ambiente. Basta con comentar que estos sistemas aseguran el suministro eléctrico al ocurrir alguna interrupción (apagones) en el suministro de la red eléctrica (salvando pérdidas económicas considerables), y permiten que el usuario reduzca el consumo de energía eléctrica de la red durante los periodos de demanda pico, cuyo costo en dicho periodo es alto 1391 y [40].

11.3.2 Beneficios El valor de la energía producida por un generador distribuido depende en gran

medida de la hora del día en la que ocurre los picos de demanda. La energía suministrada durante un periodo de demanda pico puede tener un valor 3 ó 4 veces mayor que la que se produce en otra hora del día. Por lo tanto los SFV interconectados a la red eléctrica son particularmente valiosos en redes con demanda pico en verano por la tarde, como sucede en las regiones al norte de México, especialmente en el noroeste [39].

28

Cnphlo II. SFV Iiitercoirecinrios n ~ e c f CENZDET

Además, se sabe que 10s esfuerzos que realizan las conipaííías eléctricas para llevar el servicio a donde se requiere resultan cada vez niás costosos y menos efectivos, Conforme crece el tamaño de las líneas, el número de usuarios al final de ellas típicamente disminuye; en consecuencia su capacidad de consumo eléctrico y de pago por el servicio es más limitado, la cobranza se hace más dificil; los requeriinientos de mantenimiento de las líneas aumentan; crecen las pérdidas de energía a lo largo de los conductores, y baja la calidad del servicio al ser mayor la frecuencia de las interrupciones y la variación en tensión. En consecuencia, muchos ejecutivos de las empresas eléctricas piensan que ampliar las redes de distribución más allá de los grandes centros de carga no es buen negocio. Muchas empresas eléctricas de los países en desarrollo en lugar de extender sus líneas eléctricas, prefieren utilizar sus recursos para mantener la infraestructura con que cuentan y ampliar en lo posible su capacidad de generación ante una demanda urbana e industrial que crece día a día [41].

Tomando como referencia el análisis citado por p i ] , los siguientes conceptos se pueden cuantificar para determinar el valor de una planta FV para apoyo a la red, desde el punto de vista de la compaííía suministradora:

Valor de /a ertergia.- Es el costo de producir la misma cantidad de energía por

Valor de capacidad de generacidir.- Es el costo del equipo convencional

V d o r de Capacidad de fransn1isiÚn.- representan el monto de las inversiones

Ahorro en pérdidas- Son los costos que se evitan en pérdidas por conducción que

Vafor de /a poiencia reaciiva.- Es el costo que se evita por transmisión de potencia reactiva.

ConiJ?abi/idad.- Es el costo estimado por recuperación de carga tras la ocurrencia de una interrupción de la línea de alimentación.

Valor ecofúgico.- algunas regulaciones recientes en los EU empiezan a establecer costos ecológicos asociados con la producción de energía en dólares por toneladas de NOx, SO2 y COZ emitidos [39]

medios convencionales.

desplazado (la parte proporcional correspondiente a la capacidad del sistema).

evitadas por concepto de TyD.

resultan de la reducción de la potencia transmitida a través del sistema.

Los conceptos descritos anteriormente corresponden a una planta de apoyo a la red, algunos de ellos dependen en gran medida de la localización de la planta; sin embargo la mayoría son aplicables a cualquier SFV iiitercoiiectado con la red [39].

El beneficio económico de los usuarios depende del costo de compra de la compañía, ya que de este depende del tiempo de amortizacióii de la inversión. En varios países se ha establecido un crédito del 100% (costo uno a uno de energía suministrada y comprada). Esta política tarifaria es justa si se consideran los beneficios al sistema de

29

CENlRE T Capitulo 11. SFV Iníereoitectados n Red p

distribución y que, en algunos casos, la energía inyectada a la red puede tener un valor más alto que el de venta debido a los horarios de demanda pico. Se pueden presentar otros beneficios económicos en forma de deducciones de impuestos por el uso de energías renovables y subsidios a la inversión inicial.

11.4 impacto en la calidad de red

La cuestión fundamental respecto a la calidad de la onda de salida de un convertidor conectado a la red es si esta cumple o no con las especificaciones establecidas por la compañía suministradora, Las normas han sido establecidas en función de los límites que la red puede tolerar sin causar mal funcionamiento o daño a SUS equipos ni a los otros usuarios, como se presentó anteriormente. En lo que a distorsión armónica se refiere, el estado actual de la tecnología permite que los convertidores autoconmutados cumplan con las especificaciones de las autoridades eléctricas con mínimos requerimientos de filtrado y en algunos casos sin necesidad de él. Por otra parte los inversores conmutados por línea requieren de filtros pasivos de salida para cumplir con ellas. Es decir existe la tecnología para lograr una interfaz libre de contaminación armónica, desde este punto de vista. En la sección 11.4.3 se ampliará de manera general sobre ello [39] .

11.4.1 Efectos de la distorsión armónica Se presentó en la sección 1.3 que la distorsión de la tensión tiene algunas

consecuencias negativas en los equipos de transmisión y distribución, así como en los de los usuarios de la red. El inversor de un SFV puede introducir armónicos de corriente en la red, que al circular por las impedancias del sistema de transmisión y distribución producen caídas de tensión armónicas y, por lo tanto, distorsión en el punto de acoplamiento. La magnitud de la distorsión de tensión depende de la impedancia del sistema a las frecuencias en cuestión y de la magnitud de las corrientes armónicas. La distorsión de tensión se agrava cuando se presentan resonancias en paralelo, cuya característica es un incremento pronunciado en la impedancia de la red a la frecuencia de resonancia [28].

Por otro lado, el inversor produce corriente fundamental más una serie de corrientes armónicas cuyas frecuencias y magnitudes dependen del esquema de conmutación y del filtro de salida del mismo. Por lo tanto, es uno de los aspectos de mayor preocupación en la conexión de SFV a la red eléctrica, ya que estos pueden reducir la vida Útil de los aparatos eléctricos debido a un sobrecalentamiento en los aislamientos (en el apéndice C, se presenta un esquema de opciones para filtros de corrientes armónicas en sistemas eléctricos). Los aspectos que impactan en el contenido armónico que genera un SFV son la frecuencia de conmutación en el inversor y el filtro de salida. La frecuencia de aparición de los armónicos es directamente proporcional a la frecuencia de conmutación del inversor; un valor alto implica entonces que aparecerán a una frecuencia elevada y, por lo tanto, se necesitará un filtro más pequeño. Existen, sin embargo, inconvenientes en el empleo de frecuencias de conmutación elevadas, ya que en

30

10s dispositivos seinicoiiductores la mayor parte de las pérdidas ocurre durante las conmutaciones. Por lo tanto, el empleo de frecuencias elevadas conlleva una baja eficiencia [19].

11.4.2 Efectos en el factor de potencia Las cargas en un Sistema de potencia tienen un FP iiiductivo, es decir

adicionalmente al COnSumO de potencia real. Ello obedece a la iiatuajeza de las mismas; Puesto que existe un gran número de cargas con devanados, como motores y transformadores mientras las cargas capacitivas no son comunes. Producir Vars tielie lln costo para la coinpañia suministradora debido a que existen pérdidas por transliiisióii y por la corriente activa que es desplazada por el consumo de corriente reactiva. Para evitar la transmisión de Vars, la compaiiía instala condensadores cerca de las cargas para llevar el FP a un valor cercano a la unidad, esta práctica evidentemente tiene también un costo asociado [42].

Los inversores conmutados por línea operan con un FP inductivo bajo (véase la tabla 1.2). Su valor oscila de 0.50 a 0.85 en el rango normal de operación, lo que implica que si no tienen conipensación (condensadores) pueden consumir tanta potencia reactiva como la potencia activa que producen. Los inversores autoconinutados se pueden diseñar para operar con cualquier FP (inductivo y capacitivo), pero normalmente se operati con FP unitario [42].

En el planteamiento del problema de este trabajo, se dijo que el FP de los SFV coiiectados a red es relevante para la compañía suministradora, porque no hace cargos por consumo de potencia reactiva a los consumidores residenciales; lo que resulta económicamente desfavorable para ella tener que comprar Watts a un usuario mientras le tiene que suministrar Vars gratuitamente. Otro aspecto importante relativo ai FP, son las caídas de tensión producidas por la transmisión de corriente reactiva, SU in1pacto Sobre la regulación de tensióii suele ser una situación que involucra también costos, debido a la necesidad de instalar y mantener reguladores de tensión (cambiadores de taps) de acondicionamiento mecánico o electrónico en las subestaciones [42].

11.4.3 Equipos para incrementar la calidad de la red Por lo presentado hasta el momento y de acuerdo con [14], la solución para

incrementar la calidad de la red son los equipos “adaptadores” o “acondicionadores”; los cuales pueden ser de muy diversos tipos, desde los supresores de picos hasta los Sistemas de Alimentación Ininterrumpibles (SA1 ó UPS por sus siglas en inglés), y suponen un cambio adecuado para la supresión de algunas o todas las perturbaciones presentes en la red. La complejidad de estos sistemas varia, y el precio suele estar relacionado con su capacidad. Sin embargo, la selección del sistema para incrementar la calidad de la red depende del primer termino del tipo de perturbación. No necesariamente un sistema costoso es el más adecuado para todo tipo de perturbaciones.

31

CENIDET Capíirilo II. SFV Iiiiercoireciados a Red

Los sistemas acondicionadores más comunes son:

Supresores Los limitadores de picos de tensión se basan en dispositivos que ofrecen

protección en caso de un pico de sobretensión. Muchos equipos cuentan con estos dispositivos desde su fabricación, lo que les da un nivel de protección medio.

Filtros pasivos Son filtros LC de potencia para cortocircuitar armónicos en corrientes de la red.

Los armónicos más representativos en sistemas trifásicos son el 5”, 7” y 11 O .

Transformadores de ultra-aislamiento Son transformadores con un aislamiento muy superior a el de los normales.

Reducen ruidos en modo común y diferencial, normalmente a frecuencias altas.

Transformadores ferrorresonantes Son un método clásico para estabilizar la tensión en cargas inferiores a 5 kVA.

Siguen siendo muy utilizados dada su confiabilidad y robustez frente a sobrecargas y sobretensiones. Debido a su elevada potencia reactiva puede manejar microcortes.

Regulador lento con tiristores Compensa variaciones lentas de tensión con tiristores. Con base en

transformadores con terminales (“taps”,de acuerdo a la nomenclatura americana) y tiristores (TRIACs y SCRs) permiten una regulación adecuada dentro de ciertos intervalos. Dada la naturaleza de los dispositivos, sus tiempos de regulación para cambios rápidos de tensión están limitados.

Regulador rápido De manera similar al regulador con tiristores, cuenta con transformadores y

terminales, pero el cambio de “tup” se realiza a través de MOSFETs, BJTs e IGBTs elevando su velocidad de regulación, y compensando en tiempos menores a medio ciclo de línea.

Sistemas de Alimentación Ininterrumpibles (SA1 UPS) Es la única solución para evitar cortes de tensión n~ayores a 0.5 seg. en la tensión

de entrada de cargas críticas. Generalmente son equipos de estado sólido; sin embargo pueden encontrarse equipos que combinan máquinas rotativas y convertidores electrónicos (esquemas hibridos). Dentro de los SA1 estáticos existen varias configuraciones y estrategias de funcionamiento: esquemas “on line ”, donde la carga esta siempre conectada al SAI, y el esquema “offline”, donde la carga se alimcnta a partir de la línea principal y Únicamente se conmutan ai SA1 cuando aquella falla.

Filtros Activos (FA) Los FA están basados en convertidores electrónicos de potencia y su objetivo es

compensar las variaciones lentas y rápidas de tensión, las corrientes armónicas demandadas por las CNL y compensar la potencia reactiva (FP) en una instalación

.~

32

Capífrúo II. SFVZniercoireciados a Red CENIDET

eléctrica. Entre otras prestaciones existe la posibilidad de realizar el balance de poteticia en un sistema desbalaticeado trifásico, eliminar tnicrocortes y cortes breves de tensión.

11.4.4 Filtros activos

IL4.4.1 Otros nombres con V e 10s FA suelen ser deiioniinados en la literatura

son: acondicionadores de red, acondicioiiadores de lilies o sinlp~emelite acondicionadores. Tales equipos suponen un nivel ligeramente ijiferior en cuaiito a la

suministrada por equipos como SAI, pero de igual forma una coiisiderable

Clasificación de 10s filtros activos

reducción en el costo, --

Estos equipos se han estudiado desde que sus principios básicos fueron propuestos en 10s 70’s [43]. El tipo de configuraciones propuestas responden a la necesidad de llevar a cabo la compensación de la variable eléctrica deseada en tiempos inferiores al ciclo de tensión de la red, lo que unido al requerimiento lógico de no introducir armónicos adicionales, lleva a la consideración exclusiva de convertidores electrónicos conniutandos en alta frecuencia y con control mediante Modulación de Ancho de Pulso (PWM por sus siglas en inglés). Además, existen diferentes tipos de configuraciones monofásicas y trifásicas [ 181.

Una primera aproximación para el análisis de los FA es a partir de la variable eléctrica compensada: FA de tensión, FA de corriente y filtros universales. En seguida se proporcionan las características básicas de cada grupo.

FA de tensión El objetivo de estos sistemas es reducir las variaciones lentas y rápidas de tensión

atenuando ruidos en modo común y modo diferencial. Por tanto las Únicas perturbaciones de forma de onda que no compensan son los cortes largos. Un FA de tensión puede ser relacionado con un regulador de tensión por la función que tienen en común. Sin embargo, el esquema de funcionamiento y la topología de potencia son completainente diferentes.

Los FA de teiisión también se les denomina como FA serie. La topologia muestra una fuente de tensión en serie con la red y la carga, proporcionando una tensión CUYO valor en todo instante es igual en magnitud y de signo opuesto a la perturbación presente en la tensión de la red eléctrica. El convertidor toma la energía de la red y la utiliza directamente para llevar a cabo la compensación [ I 81.

FA de corriente En la sección 1.3.2 se analizó que las corrientes armónicas demandadas por CNL

producen una distorsión en la tensión en el punto de conexión común con otras cargas. Una forma de solucionar el problema es colocar un equipo que genere las corrientes armónicas demandadas por la carga, evitando que estas circulen por la red eléctrica. Esto puede ser llevado a cabo con la inserción de filtros pasivos en paralelo con la carga. Sin

33

.- CENIDE T capítulo ii. SFV Irrterconeciados a Red P'

embargo, la amplia gama de armónicos a compensar o la interacción coli las características de impedancia de la red, hacen que no sea la solución óptiiila en muchos de los casos. Otra opción es emplear FA de corriente (tatnbién llamado FA paralelo), basados en convertidores estáticos de potencia, de tal manera que la red vea el conjunto CNL y acondicionador de corriente como una carga lineal. En la sección siguiente se ampliara más la información sobre este tipo de filtro. Cabe señalar que es posible emplear configuraciones hibridas, combinando topologias de FA de corriente con filtros pasivos LC sintonizados [ 181.

FA universales La combinación de FA de corriente y tensión genera lo 'que lo que se conoce como

acondicionador universal o FA universal. Sin embargo, para optimizar las topologias de potencia y evitar la duplicidad de componentes con las inismas funciones, es interesante que el sistema cuente con una etapa común de almacenamiento de energía. Bajo estas condiciones el FA universal podría compensar potencia reactiva, cancelar algunas perturbaciones de tensión, inclusive cortes breves de red, y equilibrar las cargas entre fases [ 181.

II.4.4.2 Funcionamienlo bhsico del$líro activo paralelo Se iniciará por definir el concepto de CNL, ya que este tipo de cargas, degradan la

calidad de la red en los sistemas de alimentación elécírica. Una CNL es cualquier equipo eléctrico, que al ser conectado, cambia o modifica la forma de la onda de tensión o de corriente del alimentador, en una forma de onda que no es sinusoidal (ver figura I1.3b, la &). El resultado es una onda compleja [44]; es decir tendrá una componente activa, reactiva y de distorsión. Equipos de computo, televisores, control de motores, rectificadores, etc., etc. son ejemplos de CNL.

Por lo tanto, el principio de operación del FA paralelo (FAP) se basa en la inyección de las corrientes arniónicas y de la corriente reactiva requerida por la CNL. De esta forma la red eléctrica solo aporta la componente fundamental de corriente y en fase con la respectiva tensión fase neutro (FP=l). La función del FAP es mantener senoidal la corriente de la red (ita), inyectando una corriente de compensación ( i rAp ) , tal como se muestra en la figura II.3a. En la figura II.3b se muestra cada forma de onda para el caso que la CNL sea una computadora. El FAP inyecta la corriente de compensación hacia la red para cancelar las armónicas contenidas en la corriente demandada por la CNL (&,J 1321.

34

' C A

'CNL

'CA

Figura 11.3.- Furicionarnienio del FAP paralelo (a) esqireriia general (b) formas de onda del sisierna de alinieniacióny FAP.

La mayoría de los FAP basan su construcción en el empleo de iiiversores con modulación de ancho de pulso del tipo fuente de tensión o fuente de corriente como se muestra en la figura II.4a y II.4b; estas topologías reciben el nombre de VSI (inversor alimentado en tensión) y CSI (inversor alimentado en corriente), respectivamente. En la figura 11.4a se tiene la topología tipo fuente de tensión, en la cual esta basado el diseño de este desarrollo de tesis debido a la fuente de CD del arreglo FV [32].

(a) (b) Figura 11.4.- Topologías mas conlunes de FAP. (a) VSI (itiversor aliiiieniado en rerisió~i) y.

(b) CSI (inversor aliiiieiitndo en corrienie).

35

CENIDET Capíiulo 11. SFVlnlercorreclndos R Red P

36

CAPÍTULO 111

Diseño de la Etapa de Control 111.1 Introducción

De manera general, el funcionamiento adecuado de cualquier unidad de adquisición de datos dependerá de las consideraciones que se lleven a cabo en la pianeación y diseño de su implementación 1451. AI construir el circuito de detección, utilizando circuitos analógicos, deben tomarse en cuenta los factores (ruidos eléctricos, derivas térmicas, etc.) que pueden alterar las señales que se desean obtener.

En este capitulo se presenta el diseño de la etapa de control del prototipo: las técnicas existentes e n la detección de las referencias para los FA; los puntos contemplados para integrar al control del SFIPA, las funciones de FA, los fundamentos teóricos en los que se basa el control para proveer dichas funciones; un breve anilisis matemático de su función de transferencia; y la implementación electrónica de cada etapa que lo integra, describiendo la técnica de construcción empleada. También se detalla cada una de las protecciones eléctricas.

.- Es importante apoyarse en los diagramas esquemáticos del Apéndice E, puesto

que se estará haciendo referencia a ellos continuamente.

CENIDET Capítulo lil. Diseiio de la Etapa de Control

Módulo d e Control V,

I - / I I v,,

v Celdas FV Inversor

Figura III.1. Sistema Forovolraico de Inyección de Poleticia Aclivo (SFIPA).

111.2 Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA)

El SFlPA (figura III.I), es el trabajo de investigación que sirvió de base para esta tesis. Sus metas fueron orientadas a inyectar potencia activa a la red eléctrica para disminuir los picos de demanda máxima mediante el seguimiento dé1 Punto de Máxima Potencia (PMP); lo que permite aprovechar al máximo la capacidad instalada del arreglo FV. En su diseño se contempló la generación de señales de alta calidad que no afectaran el FP y, para no contaminar la red, con valores de THD dentro de la norma IEEE 519- 1992.

La etapa de potencia del SFlPA se basa en un inversor fuente de voltaje regulado en corriente, alimentado a partir de un arreglo FV. La configuración del inversor es un puente completo y las señales de conmutación se obtienen de un control por histéresis; su señal de salida está sincronizada con la tensión de red. El seguimiento del PMP se realiza por medio de un algoritmo de localización programado en un microcontrolador, e interactúa directamente con los componentes aiialógicos. Lo anterior lo hace un desarrollo además de simple y robusto, económico (esto último, sin tomar en cuenta el arreglo FV). En dicho trabajo se iinplenientaron las protecciones eléctricas exigidas por las nomias internacionales para este tipo de SFV [ 171.

111.2.1 Estrategia para las funciones de filtrado activo La estrategia seguida para integrarle al SFIPA funciones de filtrado activo, está

basada en el criterio de aprovechar una sencilla plataforma electrónica (circuitería analógica y digital del control, protecciones eléctricas, etc.), así como su filosofía de funcionamiento; esto por dos razones principales: darle seguimiento ai trabajo de investigación desarrollado con anterioridad; y presentar un proyecto de investigación innovador con viabilidad tecnológica que pueda resultar interesante para las instituciones que desarrollan SFV interconectados a la red eléctrica o incluso para las compañías eléctricas.

38

Con base en lo anterior, el desarrollo de esta tesis conserva la filosofía de operación del SFIPA en las siguientes etapas: técnica de modulación, esquema de protecciones eléctricas, topología del inversor e iiiterconexióii a la red eléctrica. Por ello, dichas etapas se tratarán de manera general y sólo se profundizará en aquellas que requirieron cambios y mejoras.

111.3 Detección de corrientes reactivas y armónicas para señales de referencia en filtros activos

Las primeras estrategias de control y generación de referencias que fueron desarrolladas estaban encaminadas exclusivamente a los FA de corriente paralelos. Posteriormente, con el desarrollo de los FA de tensión y las coiifiguraciones híbridas, surgieron otras necesidades que dieron origen al desarrollo de nuevas estrategias de control.

Sin embargo, vale la pena resaltar que aun cuando algunas de las filosofías de control aplicadas a FA paralelo pueden ser aplicadas a FA de tensión e híbridos, los principios de funcionamiento son distintos. Por ejemplo, en este trabajo, se utilizan los armónicos de corriente de la carga como referencia para ser inyectados en contrafase, eliminando su circulación de la red eléctrica.

En los FA de corriente es necesario mantener la regulación de dos variables: la estabilidad en la tensión en el bus de CD, necesaria para garantizar la controlabilidad de la corriente del FA y el seguimiento de la referencia de la corriente a ser inyectada por el FA [46].

111.3.1 Técnicas existentes Existen diversos métodos de control para las topologías de FA. De acuerdo al

tratamiento de los paránietros se puede hablar de una clasificación básica: corrección de señales en el dominio del tiempo y corrección de señales en el dominio de la frecuencia. A continuación, de manera general se presentan las características de ambos tipos de corrección de señales.

De acuerdo con [46], esta metodología se desglosa claramente en dos pasos: primero, la generación de la señal de referencia para el FA, y segundo, el esquema de control para reproducir en potencia la señal de referencia.

Corrección en el dominio del tiempo

La corrección en e l dominio del tiempo está basada en el principio de mantener sinusoidal la forma de corriente o tensión, con una distorsión mínima. Una función de error instantánea es calculada ‘kn línea”, la cual puede ser una diferencia entre una señal de referencia y la señal medida, o una función más elaborada como lo es la compensación instantánea de potencia reactiva.

39

CENZDET cflpítulo III. Diseño de In E t n p de CoMrol

Existen métodos tan sencillos como el de la Extracción de la Componente Fundamenta\, que corresponde al caso de la diferencia de Señal de referencia Y la medida. Es decir, la componente fundamental s/(l), es extraida de la forma de Onda distorsionada ~ ( t ) , mediante un filtro. El resultado obtenido se usa Colno señal de referencia para el FA.

Otro método más complejo es la compensación instantánea de potencia reactiva, en la cual, una transformación ortogonai instantánea se emplea en las señales de la tensión y la corriente generando una función de potencia [46], [47]. A partir de esta función de potencia es posible separar la información de la componente de frecuencia fundamental y las componentes armónicas.

Las técnicas de corrección en el dominio del tiempo incluyen esquemas de control lineal y control no lineal, cada uno con sus ventajas y desventajas.

En esquemas de control lineal, el modelo del sistema se basa en una linealización en el punto de operación, aplicando controladores como Proporcional - Integral (PI), Proporcional - Integral - Derivativo (PID), generadores PWM por portadora triangular, banda de histéresis o controladores predictivos [46]. En este tipo de esquemas, es poco común, utilizar control por detección adaptable (filtros aúaptivos) [37], pero su aplicacióii en trabajos de investigación como el presente, puede ser de considerable utilidad como se mostrará más adelante,

En esquemas de control no lineal se pueden aplicar estructuras basadas en modelos no lineales, con controladores del tipo modos deslizantes, control por pasividad 0 controladores inteligentes, del tipo difuso f i z z y logic) y neuronal [46].

Corrección en el dominio de la frecuencia La corrección en el dominio de la frecuencia está basada en el principio de Fourier

y la periodicidad de la forma de onda distorsionada, ya sea de tensión o de corriente. En las primeras aplicaciones de este método en filtros activos se usó la inyección predeterminada de armónicos en sistemas donde existían armónicos conocidos de antemano. En aplicaciones mas recientes, la transformada de Fourier se usa para determinar en tiempo real los armónicos a compensar. Una vez que se obtiene la transformada de Fourier de la corriente de carga, se calcula una función de conmutación para que el inversor genere una salida que cancele la distorsión. La función de conmutación puede ser de dos o tres estados y la frecuencia de conmutación (fsw) del inversor del FA deberá de ser al menos dos veces la frecuencia del armónico más alto que se desea compensar [46].

40

CapítiilO III. Diseña de la Etflpfl de Cor~frui CENZDET

111.3.2 Selección del control Con lo presentado en la sección 1.6.2, se tiene que los métodos de detección de

CR.4 convencionales son afectados por la distorsión del voltaje, puesto que son sistemas utilizados en lazo abierto - sensibles a las variacioiies de los parámetros de los componentes y a las condiciones de operación -. Esto afecta directaniente la precisióii de la inedición; por ello se optó por una solución que supere dichas liiiiitacioiies y que permitiera seguir la estrategia planeada en la sección 111.2. I : el niéiodo de delección adaptable. Este método se basa en un sisíenia en lazo cerrado, que emplea la caiicelación adaptable de interferencias; entre sus ventajas ya conlentadas destacan: las características de operación del sistema es casi independiente de las variaciones de los paráinetros de los elementos; cuando la frecuencia fundaineiital se desvía, ocurre una distorsión en la fuente de voltaje de CA, el sistema opera adecuadamente coino si estuviera funcionando normalmente y tiene una capacidad excelente de adaptación [37].

111.4 Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA)

El CDCRA es el encargado de detectar las componentes reactiva y armónicas que contaminan a la red eléctrica en el PCC y que deben de ser reducidas, por lo menos a valores dentro de las normas. El método de detección está basado en un filtro adaptable. Los filtros adaptables están generalinente implementados por medios digitales (software), ya que esto es inás sencillo que su contraparte analógica. Sin embargo, por lo general la detección digital, no es tan rápida como la detección analógica [48]. Debido a que los equipos de compensación dinámica requieren una detección rápida de armónicos, el sistema de detección presentado por [37] consiste completamente de circuitos analógicos.

En seguida se presenta una descripción detallada de las etapas que componen ai CDCRA desde su diseño hasta su irnplementación electrónica. En el Apéndice C se presentan los resultados mas representativos obtenidos en la simulación.

111.4.1 Método de detección adaptable para corrientes reactivas y

El método de detección adaptable para CRA, esta basado fundamentalmente en la técnica de Cuncelaciói? de Iníerferencia Adupiable, la cual ha sido utilizada ampliamente en años recientes. Esta puede mantener el sistema eii el mejor estado de operación con autoestudio y autoajuste continuo. La situación básica de la cancelación de ruido se ilustra en la figura 111.2. Una señal se transmite sobre un canal a un sensor que recibe la señal s, más un ruido no relacionado, no. La señal y ruido combiiiado s + no, forman “la entrada primaria” al cancelador. Uti segundo sensor recibe un ruido 171, el cual no tiene relación con la señal, pero se correlaciona de alguna manera con el ruido no. Este sensor provee la entrada de referencia al cancelador. El ruido >7, se filtra para producir una salida y, la cual es una replica aproximada de no. Esta salida se extrae de la entrada primarias + no, para formar la salida del sistema, s + no - y .

armónicas

41

CENlDET Cnpítiiio III. Diseño de la Etapa de Control.

......... ! ! !

Fuente de Sena1

Fuente de Ruido

! ! !

! L I Can-iador de Ruido Adapliva !

Figura 111.2.- Concepto de la caricelación de ruido adaprable.

En el sistema mostrado en la figura 111.2, la referencia de entrada esta procesada por un filtro adaptable, el cual automáticamente ajusta su propia respuesta a través de un algoritmo de mínimos cuadrados. Así el filtro puede operar bajo condiciones de cambio y puede autoajustarse continuamente para minimizar la señal de error (E). Se puede probar que la salida del filtro (y), es una mejor estimación de mínimos cuadrados del ruido primario (no), cuando el filtro esta ajustado, ya que elevado a una potencia la señal de error E, se minimiza.

La situación ideal es cuando el mismo ruido en la entrada primaria como en la entrada de referencia se elimina por completo, y la salida del sistema contiene solamente las mismas componentes de la señal de entrada de referencia.

Hablando concretamente en la aplicación de FA, la componente fundamental en la corriente de la carga y el voltaje de la fuente de AC están mutuamente correlacionados. Si el voltaje fundamental actúa como la entrada de referencia y la corriente de la carga no lineal (CNL) como la entrada primaria, será similar a la situación anterior; la entrada de referencia es procesada por un filtro adaptable para producir una señal de salida que iguala a la señal fundamental de la entrada primaria en amplitud y fase. Esta salida es sustraída de la entrada primaria para cancelar su componente fundamental y consecuentemente la salida del sistema será la suma de todas las componentes armónicas. Además, si la señal de referencia está sincronizada a la componente fundamental activa, entonces solamente la componente activa será eliminada, por lo que se tendrá a la salida del sistema la suma de las corrientes reactiva y armónicas [37].

\ / L---1----l I

Figura 111.3.- Diagrariia a bloques del CDCRA

42

CEMDET Cnpitttlo III. Diserio de In E t n p üe Curttrul

UL4.I.I

En la figura 111.3, se tiene el diagrama a bloques del CDCRA. En é l se tiene11 las siguieiites etapas: dos de ganancia constante (G,, Gz); dos inultiplicadoras con dos entradas cada una (MI , Mz); otra de integracióii y una sumadora.

Estudio de In frrricióri de trnrtsferericin de l C D C ~

Con base a dicho diagrama, se procede a obtener la función de transferencia, del CDCRA. Para ello será necesario seccionar el lazo de retroalinieiitación en tres etapas principales denotadas por las salidas Vx, Vy y Vz con la finalidad de facilitar su manejo algebraico.

Inicialmente, se obtendrá la ganancia del integrador, el cual esta constituido por un amplificador operacional (opanzp), cuya coiifiguración se tiene en el diagrama E.2 (apéndice E). Las ecuaciones (111.1) y (111.2) denotan la tensión y corriente de salida del integrador en el dominio de Laplace.

- v o = I,(&)

Vi R

I , = I , = -

ec. (111. I)

ec. (111.2)

Sustituyendo (111.2) en (II1.1) y despejando Vo/Vi, se tiene la ganancia del integrador, I(S) en la ec. (111.3):

haciendo r = RC se obtiene 1 I = - - ST

ec. (111.3)

ec. (111.4)

y como los valores de R y C son fijos, se puede manejar a - r-' como una constante G,, es decir: G, = -C', La ganancia de la etapa de integración es la ec. (111.5)

Gi I ( S ) = - S

Del diagrama a bloques, se tiene que la salida en Vx es igual a:

Vx = GI (Vo(S)V,, ( S ) ) = k, .Vo(S)V,< ( S )

ec. (111.5)

ec. (111.6)

43

CENIDET Capítulo III. Diseíio de In Elnpa de Control

siendo VR(S) una seiial sinusoidal a 60 Hz, por lo que:

W 2

s2 +o2 V,(S) = A

sustituyendo (111.7) en (111.6): COL

s2 +o2 VX = G,Vo(S)A

Por otro lado se tiene para la salida Vy:

vy = I(S)VX(S)

sustituyendo (III.5) y (lIl.6), en (111.7) se tiene:

ec. (111.7)

ec. (111.8)

ec. (111.9)

02 = Vo(S)G,AGi s2 + W 2 s3 + W 2 S

W 2 ec. (III.10) s(s2+wz)

vz = G2 (VY(SYf7 (SI)

Vy = Vo(S)G,G,A

ahora, para la salida Vz:

sustituyendo (111.10) y (il1.7), en (III.11) se tiene:

ec. (III.1 I )

V~=VO(S)G,G,G,A’.- -__ s S 2 + W 2

si se hace K = G,G,G,A2, se tiene la ecuación (111.13):

Vz = Vo(S)K ~

Por otro lado, en la etapa sumadora se tiene:

ec. (111.12)

ec. (111.13)

Vo = Vi(S) + Vz(S) ec. (111.14)

44

CENJDET Cnpifulo JII. Diseiio de In Elnpn de Confro1

sustituyendo (111.13) en (111.14) se'tiene:

Vo(S) = Vi(S) + Vo(S)K .- -__ s S 2 + 0 2

factorizando Vo(Sj de la ec. (111. I5), resulta la ec. (111.16):

V o ( S ) l - K Is( A?)'] = Vi(S)

ec. (111.15)

ec. (Ill. 16)

de la ec. (111.16) se puede despejar a Vo(S)/Vi(S):

Finalmente, resolviendo el inverso de esta última ecuación, se obtiene la función de transferencia que representa el desenipeíío funcional del CDCRA, denotada por la ec. (111.17):

ec. (111.17) 1 ss + 2 s 0 2 + so4 __ ~

S' + + su4 - ~ o '

donde o = 2nf = 2 ~ ( 6 0 H z ) = 377rad / seg y el valor de k esta dado por K = G,G,G2A2 .

De la ec. (111.17) se puede deducir que el CDCRA es un sistema de 5" orden. Su respuesta en frecuencia es la de un filtro tipo muesca. La frecuencia de corte se tiene a los 60Hz, y las pendientes son tan pronunciadas que le permiten ser muy selectivo, c como se preseiita en la sección siguiente.

111.4.1.2 Efecto del valor de gnirnncin en el lazo de retronlirtterrlnciór~

La respuesta de la función de transferencia pude ser manipulada mediante la constante K. La ec. (111.17) muestra que K, a su vez, es directamente proporcional a las ganancias de las etapas y al cuadrado de la amplitud máxima de la señal de referencia; además es inversamente proporcional a T = RC, la constante del integrador.

45

CENIDET Cupitulo I l l . Diseno de la Etupu de Control

Los valores sugeridos de acuerdo con las simulaciones en PSpice (Apéndice C) son G, = 1, G, = -0.1, G, = 0.5 y r = RC = (6.8KQ)(O.47@) = 0.0032 y V = 2 . V es la amplitud máxima de la señal de referencia. De esta manera la función de transferencia queda como:

ec. (111.18) _ - Vi - Vo S5 +2.842e5S3 +2.02elOS+1.264e12

S5 + 2.842eSS' + 2.02elOS

los valores en [31] son G, = -1 ;G, = 0.1 ; G, = 0.1 ; r = (470k11)(0.47pF) = 0.2209 y V = 2 [37]. De esta manera la función de transferencia queda como:

Vi Vo

S5 + 2.842e5S3 + 2.02elOS S5 + 2.842eSS' + 2.02elOS + 3.658e9

-= ec. (111.19)

. . Figuro 111.4.- Diagrama de Bode de la

ec.(ill. IS) .

I"

Fnrumdi (WJ

.;-----

10' I o' to' Fmsumcia ( H I )

Figuro IIl.S.-. Diagrama de Bode de la ec. (lI1.IP).

En las figuras 111.4 y 111.5 se tienen los diagramas de Bode para las funciones de transferencia de las ecuacioiies (111.1 8) y (111.19) respectivamente. De lo anterior se tiene que el último caso es más selectivo en la frecuencia que atenúa (f= 60Hz). Aquí se tiene que un valor importante en el comportamiento del sistema de control es la K, la cual depende de los valores de las ganancias; en especial de la constante T del integrador, que para nuestro caso se ha manipulado variando R.

111.4.2 Diseño e implementación del CDCRA Se sabe que uno de los elementos claves para el eficiente desempeño de este tipo

de diseños analógicos, radica en la selección adecuada del amplificador operacional, dado que SUS características eléctricas son determinantes para el eficiente funcionamiento de la etapa que forma parte. Dichas características son: niveles de Offset, Slew rafe,

46

CENIDET Capílulo III. Diseño de In Empn de Coi~irol

¡mPedanCias de entrada, consumos, CMRR, etc. Se consideraron todos los parámetros que podrían afectar de una manera directa al desempeño y la precisión del diseño [49]. El OpuW seleccionado fue uno de alta precisión, el CI OP271 de Analog Devices (AD). Su Presentación compacta de 2 opanzps por encapsulado simplifica las conexiones físicas. Además, debido a la alta impedancia de entrada en los opamps y los multiplicadores, no hubo necesidad de algún seguidor de voltaje entre etapas, garantizando un buen acoplamiento de señales, mitigando efectos por cualquier fuente de ruido [50]. Es sabida la importancia que guarda el acoplan~iento de etapas en circuitos analógicos; sobre todo cuando se manejan señales del orden de inV. En el capitulo V se presentan los resultados mas significativos del CDCRA.

En el diseno, el punto suma y el restador se implementaron con oparnps OP27 1, con ganancia uniiaria [51]. Para la rama de retroalimentación los elementos claves son 10s multiplicadores y el integrador (U2, U4 y U3 respectivamente del diagrama E.2, apéndice E).

Para los multiplicadores se utilizó el C1 AD633JN [52] de 4 cuadrantes dada su simplicidad, bajo costo y su precisión aceptable (error total de 2% del fondo de escala). La salida de cada multiplicador esta dividida por 10; por ello las ganancias GI y G2 del diagrama a bloques del CDCRA (figura 111.3) son menores a 1.

Se evaluaron también las hojas de datos de multiplicadores como el MC1495 y MC1494 de Motorola [53]. Las caracteristicas eléctricas eran similares al AD633JN, excepto el ancho de banda; en Motorola es mayor al de AD. Sin embargo ello no es relevante, puesto que se va a operar a bajas frecuencias (menos de 1 kHz). Por otro lado el encapsulado del AD es de 8 pines y los de Motorola de 14 piiies, ya que cuenta con factor multiplicativo ajustable.

Para el integrador y el amplificador (U3) se utilizó el CI OP271, por su respuesta rápida, necesaria en la integración. Otro elemento importante en la etapa de integración es el condensador, En este elemento se deben evitar las pérdidas en el material del dieléctrico [54], debido a que afectaría el resultado esperado y en consecuencia la detección fiel de las señales deseadas [ 5 5 ] . En el integrador del CDCRA se uso Un condensador de poliéster de 0.47 pF, al 5% de tolerancia (valor comercial de capacitancia).

111.5 Integración del CDCRA al SFIPA

111.5.1 Diagrama a bloques En la sección 1.7 se tiene de manera general la configuración de este trabajo de

investigación, es decir la etapa de filtrado activo en la plataforma funcional del SFIPA. En el diagrama de la figura 111.6 están los bloques funcionales del prototipo. En esta sección y en el capitulo IV, se describirá cada uno de ellos con la finalidad de presentar claramente la filosofía de operación y los principios fundamentales de cada elemento.

47

CENIDET Cupítulo III. Diseíio de la E t ~ p f l lie Cuntrol

ICA

Figrrra 111.6.- Diagiania a bloques del Sisienla de Cogerteracióti COI7 Funciones de Fillra Aclivo hiegradas.

111.5.2 Setpoint La señal de referencia o el se/ point como se le conoce en el argot del control y la

instrumentación, es la referencia que seguirá la salida del inversor del SFV y que será inyectado a la red eléctrica. En otras palabras, es la señal acondicionada apropiadamente que debe ser amplificada en potencia, de manera que el SFV suministre la energía activa disponible en el arreglo FV y compense la energía no activa que afecta la calidad de la red eléctrica en el PCC a donde está conectado.

Partiendo de la figura 111.6 la señal no activa (VQD) entregada por el bloque CDCRA y la señal activa (Vp) entregada por el PMP, son las entradas del punto suma. La sumatoria resultante VpfV~o, es la señal de sef point del sistema. Aparte de sus características intrínsecas, ambas señales tienen comportamientos distintos en amplitud, lo que se verá reflejado en la amplitud resultante del setpoint.

Referente a los comportamientos distintos en amplitud se tiene que: Vp es el resultado del algoritmo de localización del PMP, controlado por medio de un microcontrolador (CI U24), el cual a su vez manipula un potencióinetro digital (CI U23), para variar la magnitud de la corriente activa que será inyectada a la red (ver figura 111.7 y diagrama E.4 del apéndice E). Por otro lado, VQD no cambiará el valor de su magnitud (incluso en la forma de onda) a menos que las condiciones de la CNL lo hagan. Por lo anterior se puede deducir que la señal de set point será más frecuentemente variable en amplitud debido a Vp; y aunque no tan frecuente, (incluso con valores mayores que Vp) debido a VQD. En la sección V.5 se presentan resultados más representativos sobre el set point.

48

CENIDET Cnpítrrlo Ili. Diseño de In Einpn de Conirol

111.5.3 Impleinentación En esta etapa se integró eii ei control del SFIPA el C D C ~ . Esto fue a través de

con oPfl'??pS de precisión (CI U8 del diagraiiia ~ , 2 , apéndice E), se acondicionó con ajustes de ganancias y de ofiets. LOS resultados obteiiidos fueron

satisfactorios COlnO se podrá comprobar en el capftulo v, con base en lo comentado Para este diseño se consideró: la organización del diseño (menor espacio), los elementos pasivos que se utilizan, ia construcción física del circuito impreso, el ambieiite en que debe operar, las trayectorias que siguen los conductores con 10s que se aplican las entradas al circuito, etc. Todo ello a manera de evitar ruidos que interfirieran las señales procesadas en las diferentes etapas del control, tanto en Ia parte analógica como en la parte digital

una etapa

_. En este prototipo se manejan comparadores de tensión cuyas salidas se conectan a

circuitos digitales del tipo TTL (CI's U9, U17 y U18 del diagrama E.6 del apéndice E), por lo que cualquier ruido o señal inestable (¡.e: las componentes de iafsrv) provocaría un funcionamiento inadecuado. Por otro lado, las fuentes de alimentación de las etapas aiialógica y digital no tenían un filtrado adecuado, y cualquier interferencia podia ser inducida; sobretodo la etapa analógica que es más vulnerable en sus lineas de alimentación. En este último punto se intercoiiectaron condensadores de desacoplo.

Lo anterior se evitó con un análisis cauteloso en la distribución de las tierras (analógica y digital) con la finalidad de minimizar las inductancias presentes en el circuito impreso. También se contemplaron tanto los blindajes de las señales como los plaiios de tierra. Inclusive se optó por procurar un blindaje de Faraday (¡.e: en las interfaces analógicas-digitales) para contrarrestar el efecto del acoplamiento capacitivo WI.

111.6.- Técnica de modulación

111.6.1. SincronizaciÓn con la línea Dado que se trata de un generador conectado a la red eléctrica, la carga del

usuario siempre se encuentra conectada tanto al inversor como a la red. Por lo tanto, para no reducir el FP de la línea ante cualquier carga, es necesario que la corriente generada por el inversor este sincronizada o en fase con la tensión de la red, evitando illyectar reactivos indeseados. En la figura 111.7 se muestra el diagrama del circuito que logra dicha sincronización; se observa que es necesaria una señal scnoidal VCA como referencia, la cual es una muestra directa de la red.

L~~ inversores con regulación de corriente son los más utilizados en la interfaz de sFV con ]a red, dada la estabilidad que se tiene al regular corriente mediante un inductor. Con ello se tiene un sistema de potencia confiable para este tipo de aplicaciones. Existen varias técnicas de regulación de corriente basadas en un control de lazo cerrado (en el prototipo, la señal de retroalimentación VHZ), que permiten ajustar en todo tmmento la corriente de salida, a la señal de referencia mediante una señal de error. Dicha señal genera un patrón de conniutación para los interruptores de poteiicia, de mailera que la corriente de salida del inversor siga al set point del control.

49

CENIDET Cnpítulo III. Diseiio de In Etnpn de Coitlrol i

/o -ji-i Figura III. 7 Diagrama del circuilo de sincrorrnación con la /;irea

La frecuencia de conmutación (fsw) es un parátiietro de entrada en el control de corriente, en este caso como se trata de un control por histéresis, dicha frecuencia es variable, y la frecuencia máxima estará definida por la misma banda de histéresis [ 171.

Según [17], los inversores de corriente controlada inyectan una corriente sinusoidal a la red, normalmente en fase con la tensión, sin importar el nivel de distorsión armónica que éste presente (aunque para este trabajo, ello no es relevante debido a las funciones de FA). La ventaja en este tipo de inversores, es que el control es más simple y robusto. Aunque, su desventaja fundamental es que no pueden alimentar cargas no lineales en modo aislado [57].

111.6.2 Acondicionamiento de la señal de referencia de línea La señal VCA es una referencia completamente sinusoidal, tomada de una muestra

de tensión alterna de la línea eléctrica a donde está intcrconectado el SFV. Esta referencia se utiliza tanto en la etapa de modulación ( V ~ A ) , como por el CDCRA descrito en la sección 111.4.2. (VR). Como se expone en seguida, debido a la diferencia de amplitudes en el diseño, VCA es una atenuación de VR.

En la figura 111.8 se tiene el diagrama a bloques del circuito que acondiciona la señal de referencia (véase el diagrama E.l del apéndice E). A continuación se describe su funcionamiento.

50

CENIDET Cnpítulo 111. Diseño de in Efnpn de Coniroi

@- "LINEA

"R T. Reductor Defasador

Atenuador

I L+ ",A

Figurn IlI.8.- Acondicioiiarniento de la seíia/ de refereiicia.

El circuito proporciona la señal de referencia a partir de la tensión de línea. Se utiliza un transformador reductor (TI), para que la tensión se encuentre en los niveles de +Vcc del circuito de control.

Posteriormente se tiene un filtro pasa bajas (FPB), cuya función es obtener la componente fundamental de la tensión de línea. El FPB se implementó con el CI MF4CN-100 (U10). Este CI U10 es un filtro Butterworth de 4" orden, basado en la técnica de condensadores conmutados, por lo cual requiere de una señal de reloj. Se seleccionó un filtro de 4" orden debido a la presencia de un 3e' y 5" armónico en la tensión de linea, la presencia de estos armónicos ocasiona que la corriente generada no sea puramente senoidal. Se propone una frecuencia de corte para el filtro defc = 100 I-lz. La señal de reloj está a una frecuencia de 10 kHz, ya que lafc del FPB es 1/100 parte de la frecuencia de reloj, según especifica el fabricante en la hoja de datos [58]. Un inconveniente lo constituye el hecho de que el filtro es un sistema muestreado, lo que implica que en la salida aparecerá ruido a la frecuencia del reloj, sin embargo, dado que esta frecuencia es mas elevada que la de corte, el ruido puede eliminarse con facilidad agregando en serie con la salida un filtro pasivo de primer orden, teniéndose la ventaja de tener un FPB de 5' orden [59].

En seguida, se tiene un circuito desiasador (CI U12B) después del FPB; esto es porque el CI U10 ocasiona un desfasamiento de la señal de referencia el cual se debe compensar para garantizar que la corriente generada esté en fase con la tensión de línea. La salida de este bloque es la referencia VR.

Finalmente, a partir de VR se obtiene VcA a través de un bloque atemiador

111.6.3 Señales de control para los interruptores de potencia Las señales de disparo para los interruptores de potencia (IGBT's del inversor) se

obtienen a partir de un controlador por histéresis (figura 111.9). La desventaja principal de este método de control, es laf& variable a lo largo de un ciclo de línea, aunque no afecta de manera considerable el funcionamiento del SFV. Además, la implementación de este método es muy sencillo y cuenta con una buena respuesta dinámica, la sincronía con la línea se obtiene de forma automática al tomar la señal de referencia directamente de la linea (V~A).

51

CENIDET Capitulo III. Diseño de in Eíapa de Cnirlrnl

Tl Circuito de

Figura 111.9.- Conlrolador de corrierile por hisiéresis.

La comparación por histéresis que se efectúa es entre ia sefiai de Se! PoiHí, que se llamará en esta sección IREF y la retroalimentación de la corriente VW, tomada a la salida del SFV, en el secundario del transformador elevador y denotada por IINV. Las señales que resultan de la comparación en el CI U7, se utilizan para controlar el encendido y apagado de los interruptores de potencia. La banda de bistéresis está determinada por AI, tales señales se pueden ver en la figura III.10. El estado de conmutación de apagado a encendido aparece cuando la corriente I ~ N V tiende a ser menor que la corriente IREF más su incremento (IREF - AV2). La conmutación inversa, de encendido a apagado, se presenta cuando la corriente IINV empieza a exceder un valor determinado, dado por IRE^ + AV2. Se agrega un circuito adicional de tiempo muerto que permite que uno de los interruptores de una misma rama se apague, antes de que el complementario se encienda lo que evita posibles corto circuitos en el bus de CD (sección IV.4.6).

Figura Ill.10.- Obtención de las seriales de conirol para los inierruprores de potencia

En operación normal, este tipo de modulación producirá una forma de onda de corriente que sigue la forma de onda de la tensión de red, con un rizo sobrepuesto, AI, La amplitud del rizado es directamente proporcional a la banda de Iiistéresis y a la magnitud del inductor de salida. El contenido armónico es inversainente proporcional a la amplitud de la corriente generada a la salida del sistema, es decir, debido a que se tiene una banda de histéresis fija, si la corriente de salida es pequeña, el rizado AI en comparación con la corriente generada es considerablemente grande, por lo que aumenta el contenido armónico. Cuando la corriente generada tiene una amplitud más grande que la amplitud del rizado AI, disminuye la distorsión armónica en la sefiai de salida del sistema [17].

52

CENIDET Cflp¡fulo III. Diseiio de In Efnpn de Coirfrol

111.7 Etapa de protecciones y seguridad

Esta etapa es de gran importancia, ya que evita accidentes y daños en el equipo instalado, en los usuarios y en el personal de mantenimiento de la coinpatiía proveedora de la energía eléctrica. Se tienen las protecciones que incluye el fabricante de los módulos impulsores para los interruptores de potencia, y además las que fueron implementadas en el prototipo.

Las protecciones que se implementaroii son: sobrecorriente eléctrica en la salida del inversor (semiciclo positivo y negativo), el efecto islunúir?g, y la inyección de CD a la red eléctrica. Además, la etapa de protecciones cuenta con leds piloto que indican: funcionamiento adecuado (verde), la presencia de falla (rojo) y paro manual (ainbar); para que tanto el usuario como el personal correspondiente tenga conocimiento del estado del prototipo y permita tomar medidas adecuadas.

En esta etapa, las salidas de cada circuito de protección alimentan un circuito digital con enclavamiento, el cual actúa directamente sobre la salida de las seííales de conmutación que disparan a los interruptores de potencia. La condición de falla permanece hasta que se efectúa un reinicio manual (START) para intentar volver a operar adecuadamente. El propósito de mantener el estado de falla y reiniciar manualmente, es para evitar que se active nuevamente la protección. Es decir, cuando los IGBT’s se inliabilitan, la corriente que circula a través de ellos decrece hasta llegar por debajo del límite permitido de corriente, temperatura o tensión. En ese inoinento la condición de falla desaparece, pero si la causa que origina la falla permanece, entonces la protección se activará nuevamente y podría repetirse indefinidamente. Ahora, si la falla ha sido corregida, al pulsar START los IGBT’s recibirán nuevamente las señales de conmutación para poner en marcha al inversor.

111.7.1 Sobrecorriente Una de las consideraciones más importantes en cualquier módulo de potencia, es

la de protección contra sobrecorrientes. En el prototipo, dicha protección se lleva a cabo sensando la corriente de salida del inversor, V H ~ (en el secundario del transformador elevador). Esta señal se lleva a una etapa amplificadora y finalmente a un comparador de ventana donde los limites máximos para el semiciclo positivo y negativo se fijan por medio de potenciómetros de precisión, cuyos valores pueden ajustarse en cualquier momento. El funcionamiento es como sigue: si el comparador de ventana detecta un nivel de corriente superior a cualquiera de los limites, se activa su salida y deshabilita la conmutación de los interruptores de potencia. El valor de dichos límites, con respecto a los establecidos en el SFIPA se modificaron, debido a las funciones de FA. Es decir, la magnitud de la corriente no activa es mayor que la activa, por ello la ventana de comparación se amplio tomando en cuenta la capacidad de corriente de los interruptores de potencia, Sin embargo, los módulos de IGBT’s utilizados cuentan con un circuito impulsor (ver sección 1V.4.2) el cual provee una seíial de control que inhibe las conmutaciones de los IGBT’s, en caso de presentarse una sobrecorriente. Estos circuitos

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CENIDET Cnpifulo III. Disetío de In Efnpn de Coiifrol-

impulsores también activan una señal de protección, en el control por baja tensión y sobretemperatura.

Se puede pensar que como el sistema es regulado en corriente, puede ser tolerante a cortos circuitos en Ia’carga, pero si por alguna razón (i,e.: mal funcionamiento del circuito de control o algún problema en la instalación) la señal de referencia desaparece y la corriente de salida al intentar compararse con la referencia en el control por histéresis, hará que se tenga una corriente muy elevada a la salida, ya sea en el semicicio positivo o negativo, activando inmediatamente esta protección; lo que la hace indispensable.

111.7.2 Aislamiento de línea (Islanding) El término: aislamiento de línea (islanding) [60], se refiere a la operación continua

de uno o varios generadores de potencia dispersos en toda la red (en este caso los-SFV), sobre una sección aislada de la linea de distribución. Es decir, cuando algún generador llega a trabajar en forma de isla con la carga y desconectado de la línea. Esto ocurre si un inversor está operando con una carga exactamente acoplada, en ese instante puede ocurrir que la conexión con la red desaparezca debido a la operación de interruptores que desconectan al generador de la línea [61]. El término “carga exactamente acoplada” se refiere a que el flujo de potencia proveniente de la red es nulo, es decir, cuando existe un generador interconectado con la línea, que entrega toda la energía demandada por la carga.

Esta desconexión puede ser causada por alguna falla en el sistema o por razones de mantenimiento. Bajo estas condiciones los generadores conectados a la red pueden alimentar a una carga aislada por algún tiempo si no existe un método de detección. Esto puede ocasionar condiciones indeseables e inseguras, sobre todo al personal de la compañía eléctrica si la desconexión se llevó acabo para dar mantenimiento a sus líneas de distribución.

Para evitar los daños que puede ocasionar el fenómeno isiurzding, en materia de normatividad se ha establecido que todo equipo generador debe desconectarse de la red, cuando su voltaje o frecuencia estén fuera de los límites especificados (en México los límites están en [21 I), en un tiempo no mayor a 2 seg [62]. En la ausencia del fluido eléctrico, el paro del SFV es obligatorio. La reconexión, puede llevarse a cabo hasta que la tensión y frecuencia de la red vuelvan a estar operando dentro de los limites establecidos. Un tiempo típico para verificarlo es por lo menos 30 a 120 seg. [61].

La implementación de esta protección se llevó a cabo por medio de la utilización de un CI MID400 (U15 del diagrama ES , apéndice E) de QT Ojmelecironics, el cual es un monitor de linea que proporciona una señal de control TTL cuando la tensión de línea desaparece, logrando que el SFV deje de operar hasta que se restablezcan las condiciones normales.

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CENIDET Cnpífirlo IIL Diseño de in Efnpn de Corrfrol

111.7.3 Inyección de CD Inyectar corriente de CD a la línea de distribución puede tener consecuencias

considerables [63], por ello las normas establecen que por ningún motivo se debe inyectar componentes de CD a la red eléctrica. Un ejemplo de ello se puede presentar cuando el personal de la compañía eléctrica, dando mantenimiento a las líneas, al abrir las cuchillas correspondientes, podría verificar la ausencia de voltaje de CA, sin embargo una línea aislada alimentada con un voltaje de CD muestra O 'VCA, ignorándose conipletanieiite un nivel de CD inyectado en dicha sección de la red eléctrica; lo cual conduce a una situación peligrosa Para el personal citado [64]. Otro ejemplo es ]a presejicia de teiisi,jn de CD en un sistema de distribución de CA, lo cual es una circunstancia indeseable considerando que las cargas de CA y el secundario del transformador de distribución se ve representado como un corto circuito para ella. Además, los altos niveles de corrieiite de CD que se producirían podrían causar una saturación en la distribución del transformador (en la acometida eléctrica),

En la práctica, la inyección de corriente de CD en el transformador simplemente desplazará el punto de operación de la curva de flujo. El flujo está en función de la corriente, sin tomar en cuenta si es CA Ó CD, incluso el signo. A plena carga el transformador se verá obligado a trabajar cerca de la saturación del lado en el cual ha ocurrido el desplazamiento.

Debido a la técnica de modulación seleccionada para el diseño de este prototipo, la probabilidad de que ocurra la inyección de CD a la red eléclrica es alta, por lo que la protección es necesaria. La ocurrencia se puede dar en cualquier momento que algún semiciclo (positivo o negativo) del patrón de conmutación sea mayor que el otro, es decir, cuando el valor promedio de CD no es cero. Esta situación es indeseable y se evita de dos maneras. La primera, por medio del aislamiento eléctrico (o galvánico) de un transformador elevador interconectado entre el inversor del SFV y la red eléctrica. Su función, es impedir el paso de un nivel de CD a la salida del sistema, y su diseño será presentado en la sección 1V.5.

La restante en la señal de se/ point, evitando las tensiones de offset en las diversas etapas que conforman el control analógico, sobre todo en la entrada a etapas amplificadoras (como las provenientes de los sensores de corriente). Ello se solucionó con los opanzps de precisión, con su bajo nivel de o&/ (en el orden de pV) [65]; y en SU

defecto, implementando mallas de compensación de o&/, para opanlps y circuitos de funciones especiales con valores de mV. (Véase el diagrama E.3, apéndice E).

Finalmente, cabe señalar que la posibilidad de eliminar cualquier componeiite de CD en el control analógico por medio de condensadores de paso (o bypass) quedó descartada, debido al desfasamiento inherente que estos introducen pudiendo contribuir a una degradación paulatina del FP, debido a la variación de sus valores con el envejecimiento, temperatura, etc. (ver sección 111.6.1).

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CnpítuIo ZZL Diseiio de In Etapn de Control ~ CENIDET

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CAPÍTULO IV

Diseño de la Etapa de Potemia

IV.l Introducción

En este capítulo se presenta el diseño de la etapa de potencia. En la primera parte se muestra un análisis teórico simple, cuya finalidad es facilitar la comprensión de la filosofia de funcionamiento del equipo a lo largo del día. Esto a manera de comparación, ya que cuando se habla de la capacidad instalada de un SFV típico, es común pensar que SU utilidad esta limitada al 50%; debido a que durante la noche el equipo permanece ocioso.

Posteriormente, se presentan los diseños específicos de cada elemento involucrado con esta etapa, que son los componentes pasivos y los dispositivos serniconductores de potencia. Se abarca desde los cálculos matemáticos, hasta su implementación eléctrica. Se comentan los compromisos y las consideraciones pertinentes, que se llevaron a cabo con la finalidad de conseguir una alta eficiencia del sistema en general, tanto en su propio funcionamiento, como en su interacción con el conjunto red-usuario; sobretodo en materia de Calidad de la Red y de eficiencia energética. También, aunque de manera elemental, se estiman las pérdidas de energía en el inversor.

CENIDE T Cnpitulo IV. Diseño de In E i n p de Poleirein

IV.2 Flujo de energía

Se empezará por analizar el flujo de energía, mediante diagranias fasoriaks. Debido a lo poco práctico que resulta para este análisis manejar el sistema de potencias tridimensional (P-Q-O), Únicamente se considerará la corriente reactiva, más no las armónicas. Por lo tanto se omitirá el fasor de potencia de distorsión (fasor D), y se recurrirá al plano de potencias P-Q.

A continuación, se tienen dos casos que describen el funcionamiento del presente trabajo. El caso I, es durante el periodo de insolación. En él, se muestra la manera en que opera el prototipo para la compensación de potencia activa y reactiva. Finalmente en el caso 11, se tiene la otra etapa de operación del sistema, en el periodo de oscuridad. Esta última es una de las ventajas que ofrece el trabajo de investigación presentado, ya que el funcionamiento del sistema durante la noche, en ausencia de energía solar (y al no tener un medio de almacenamiento) hace que la capacidad instalada del mismo se aproveche al 100% del día y no al 50%, que es lo que dura el periodo de insolación.

En ambos casos se tiene el triángulo de potencias que corresponde a la potencia aparente de: la carga, de la red eléctrica y del prototipo; denotadas por los fasores Sc, SCA y SPY respectivamente. Sus componentes correspondientes estarán representadas por Q, para la reactiva y P para la activa.

IV.2.1 Caso I: Periodo de insolación

En este caso, se tiene que las componentes de la SPY entregada por el prototipo, son la potencia activa (PPv) y la reactiva Qpv, (ver figura 1V.i). La Ppv compensará la componente activa entregada por la red eléctrica (Ppv >O). Así también, la Qp,, compensará la componente reactiva de la potencia demandada por la carga (fasor Qc); lo que de acuerdo con el diagrama de fasores significa Qca=O, Es decir, la red eléctrica solamente suministraría potencia activa. Este hecho resalta la importancia que tiene un sistema de este tipo para las compañías de distribución eléctrica, dado que el FP de la red mejorará y además eliminará su contaminación armónica, evitando los problemas y efectos dañinos a SUS equipos, sobretodo en el periodo donde se presenta la demanda ináxiiiia.

P Figurn I% I . - Diagrama fasorial delproioiipa,

periodo de insolacióil.

58

CENIDET p Cnpílrrlo I K Diserio de In Efapn de Pofelicin

Figrrra I K 1.- Diagraiiia fasorial ddproloiipo. periodo de oscirridad,

IV.2.2 Caso 11: Periodo de oscuridad Para este otro caso, el sistema únicamente opera como FA, compensando potencia

reactiva; dado que la celdas FV no están en operación, el término Ppv es nulo y se dice que SPY = QPV, (figura IV.2). El resultado será que el sistema compensará la componente reactiva de la potencia demandada por la carga Qc, logrando que la red eléctrica no suministre componente reactiva, (&A nula, similar al caso I) y únicamente suministre potencia activa. Por lo tanto, al compensar la potencia reactiva y armónica (o de distorsión, fasor D) debido al FA, el FP es unitario, las corrientes armónicas se eliminan y entonces la eficiencia de la capacidad instalada de la red eléctrica se eleva. Por lo tanto, la potencia entregada a los usuarios será 100% activa, por lo menos en el PCC, donde está interconectado el prototipo.

IV.3 Bus de CD

El bus de CD lo conforman los conductores que entregan la tensión del arreglo FV al inversor (figura 111.6). En paralelo con estos conductores se interconecta un condensador (CCD) polarizado, que permite mantener un nivel de tensión lo más estable posible. Este mismo condensador, es el elemento que almacena la energía necesaria para la compensación de potencia reactiva y de distorsión. La tensión aproximadamente constante que entrega el panel solar es la tensión del bus de CD y en consecuencia, del CCD. Es necesario seííalar que entre el arreglo FV y el bus de CD, debe conectarse un diodo, con la intención de evitar, durante el periodo de oscuridad, que la baja tensión ( V d l VCD) presente en los módulos FV, descarguen a CcD, Imposibilitando las funciones de FA.

En la red eléctrica existen fenómenos transitorios, provocados por la conexión o desconexión de cargas, o por maniobras de interruptores de potencia en los sistemas eléctricos. Estos fenómenos transitorios introducen fluctuaciones en la tensión en las terminales del condensador que alimenta al inversor del FA. Por lo tanto, para evitar repentinas fluctuaciones de tensión, se debe contar con un condensador lo suficientemente grande para absorber tales variaciones [66]. En la sección IV.3.2 s; presenta el cálculo de CCD.

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CENIDET Cnpiirilo IV. Diseno de In Ef[rpcr de Poterzcin

I(A)i 5

.I

3

2

o

SIEMENS Solar module SP75

(a) íb) Figura IV.3.- (a)Grójico característica del módnlo FV sp75 (y sp70) ame

voriociones de iwadinitcia. (b)El Módulo FV (coriesio de Sieineits).

, .... , , -.r-.,-.--, . .,, I I SIEMENS Solar module SP75

- - sp7I): O 0 0 W M . 25 -c

(a) íb) Figura IV.3.- (a)Grójico característica del módnlo FV sp75 (y sp70) ame

voriociones de iwadinitcia. (b)El Módulo FV (coriesio de Sieineits).

IV.3.1 Arreglo FV Los módulos de celdas solares del arreglo FV, producen una tensión de CD cuando

se exponen a la luz solar; dicha tensión es función de la temperatura, la irradiancia y la corriente que se extrae de ellas, de manera que se obtiene una curva característica como la que se muestra en la figura IV.3 (a). Como se observa, existe una combinación única V-I en la cual se llega al Punto de Máxima Potencia (PMP). Para aprovechar al máximo las celdas, es necesario operarlas en este punto. A manera de ejemplo, también se muestra el módulo solar sp75, del fabricante Siemens.

Por otro lado, el arreglo FV que se requiere para garantizar la adecuada operación de cualquier SFV interconectado a la red, es aquel que ofrezca una tensión entre 1 O0 y 150 VCD. La potencia del arreglo con la que se realizaron parte de las pruebas en campo con el SFIPA, fue de 1.76 kW obteniendo buenos resultados [i7]. Es necesario aclarar que por lo anterior y por los objetivos planteados en este trabajo de investigación no fue necesario realizar pruebas en campo durante su desarrollo; por lo tanto, la tensión del arreglo FV se emuló con fuentes de alimentación de CD de 0-150 VCD a 1 kW, la cual fue suficiente para las pruebas requeridas al prototipo.

La capacidad de potencia aparente (s) del prototipo es de 1 kVA, aunque se pueden manejar 3kVA, dependiendo de la capacidad de potencia de CD que se disponga a la entrada del inversor; ya que el inversor utilizado tiene capacidad para manejar dicha potencia (véase la sección IV.4.1).

IV.3.2 Condensador de CD La determinación del valor del condensador de CD (CCD) del FA, se realiza

tomando en cuenta la potencia instantánea demandada por la CNL, y su valor se obtiene de acuerdo al concepto de balance de energía [67]. Además, se parte de la siguiente consideración: como el FA solamente debe entregar potencia reactiva, el flujo neto de potencia activa en un ciclo de red es igual a cero. Esto garantiza que el flujo de potencia activa hacia CCD (corriente entrando) es igual al flujo de potencia activa desde CC» (corriente saliendo) en un ciclo [68].

60

CENIDET P Capititlo I K Di.seño de In Etnpn de Porerrcin

Para el diseño de CCD, se conteniplan dos posibles circunstancias relevantes, debidas a la dinámica de la CNL. La primera se tiene cuando la corriente de carga varía hacia un valor mayor. Entonces, dicho incremento de corriente debe ser compensado por el FA, y sera demandado de CCD; reflejando una disminución de tensión en él. Lo esperado es que el valor de tensión no caiga por debajo de un nivel mínimo estimado. Para ello, la energía necesaria para pasar del valor inicial (Ved, al valor mínimo debe ser igual al cambio de energía de la carga; como se expresa en la ec. (IV.1). Mediante un simple despeje, se obtiene el valor de CC,, ec. (IV.2), para estas condiciones.

ec. (IV.l)

ec. (IV.2)

donde:

CCD = Capacitancia en el bus de CD VC,,,~~ = Tensión mínima para CcD = 100 V Vc,",= Tensión máxima para CcD = 200 V

VCR = Tensión de referencia establecida en Cc,, = 150 V - Vp = Valor pico de la tensión de línea = 180 Vp dl = Decremento de la corriente de carga = 10 Amp

T = Periodo de la tensión de línea = 60'' seg.

En el caso contrario, la corriente de carga varía hacia un valor menor; entonces, la corriente de línea no puede cambiar en forma instantánea y la corriente en exceso suministrada por la línea se dirige en forma directa hacia CcD, por lo que su tensión puede incrementarse a valores no permitidos (sobretodo si es el periodo de oscuridad hay ausencia de tensión FV). Por lo tanto, es necesario fijar una tensión máxima ( V C , ~ en Ccu. En la ec. (IV.3), se presenta el balance de energía reactiva y la ecuación que resuelve el valor de CC,, para tales condiciones es la (IV.4).

VpAIT 180V*10A*16.67nzs = 1 7 1 4 ~ u F c, = __-- = -- vc,h - '2R 200V2 -150V'

ec. (IV.3)

ec. (1V.4)

Los valores propuestos para los balances de energía, fueron estimados con base a la capacidad de potencia aparente del prototipo (I kVA) a la relación del transformador ( ~ 2 ) para aislamiento galvánico, y los periodos de operación durante el día (insolación y oscuridad).

61

Capitulo IV. Diseño de In Einpn de Poteiicin CENIDET

De los resultados obtenidos para CCD, se optó por el de la ec.’ (IV.4), debido a que el prototipo no cuenta con alguna etapa que regule el bus de CD, y el incremento en la tensión del bus, podría ocasionar esfuerzos de tensión en el transformador elevador en ausencia de la tensión del arreglo FV (en oscuridad). Por otro lado, el valor encontrado por la ec. (IV.2), es un valor alto que afectaría la dinámica de respuesta del FA. Además, el incremento de corriente propuesto esta ligeramente alto; es decir, en un incremento de la corriente de carga difícilmente se tendría el valor Al (sobretodo en aplicaciones residenciales). Sin embargo con el valor de Cc,j (ec. 1V.4) la tensión caería a 90.2 V, lo que relativamente, no es un valor crítico, en caso de suscitarse dicho incremento.

En realidad, es difícil para llevar a cabo la implementación del FA, con el valor calculado para CCD, por lo que una opción es realizar pruebas de laboratorio con los valores comerciales cercanos al valor calculado para observar la respuesta de la tensión en sus bornes cuando existe un cambio en la carga. Por lo tanto, en la implementación del FA se optó por el valor de 1350pF / 400 VCD.

IV.4 Inversor

IV.4.1 Dispositivos de conmutación La etapa de potencia del prototipo, está formada por un inversor monofásico puente

completo construido con módulos de IGBT’s (IGBTMODTM), de Powerex. Estos módulos son del tipo CM75DY-12H [69]. Cada módulo consiste de dos transistores IGBT en una configuración medio puente donde cada transistor tiene conectado un diodo de libre circulación freewheeling), de recuperación rápida (7011s). La frecuencia máxima de operación está entre los 20 y 25 kHz. Los componentes e interconexiones están aislados de la placa base de disipación de calor, ofreciendo un sistema simplificado de ensamble y disipación térmica. Dichos módulos cuentan con circuitos impulsores para su accionamiento; en la tabla 1V.I se presentan los principales parámetros eléctricos de los módulos.

Tobia M I . - Especijcaciorles del módulo CM75DY-IZH

62

CENIDET Cnpifirio I K Disefio de In Eiopn de Poiencia

Para el diseño del inversor se consideraron las especificacioiies y características del sistema. su capacidad es de 1 kVA (si el FP es unitario, se tiene entonces que se manejará también IkW de P). Tomando en cuenta la tensión nominal de línea de 127 V,,,,,, la corriente máxima generada es de 8 A,,, en el secundario del transformador elevador, es decir 11.13 Apico. La relación de traiisforniación es de 1:2 (sección IV.5), por lo que la corriente en el primario es de 16 A,,,,. Para aumentar la confiabilidad en el diseño, el fabricante sugiere que los niódulos de 1GBT's deben contar con un margen de confiabilidad. De acuerdo a [70], para corriente y tensión, los valores calculados deben ser iguales al 75% de las especificaciones máximas del dispositivo seleccionado. Es necesario aclarar que se han utilizado estos dispositivos de conmutación sabiendo que su capacidad supera la requerida, sin embargo el inversor iniplementado es utilizado para fines de investigación, y cabe la posibilidad de utilizarse en trabajos futuros (¡.e: esquemas trifásicos).

El uso de 1GBT's como interruptores de potencia, en el diseño de este sistema se debió a las bondades de estos dispositivos, ya que estos son semiconductores que tienen un manejo sencillo y, además, la tensión colector-emisor es poco dependiente de la corriente de colector. Las pérdidas que se pudieran ocasionar en los IGBT's y en los diodos se analizan más adelante

Es importante ineiicioiiar que durante la generación de corriente en un ciclo de línea, se producen corrientes de retorno hacia el arreglo FV. Dado qiie las celdas no tienen la capacidad de absorber dicha corriente, el condensador polarizado CCD conectado en el bus de CD desempeña esta función, lo que permite almacenar energía para las funciones de FA.

I

Figrrrn VI.4.- Etopa depotencia y circ~riros ;nipulsores eii el inversor.

IV.4.2 Circuitos impulsores para los dispositivos de conmutación

Los módulos de IGBT's requieren de un circuito impulsor como interfaz para responder a las señales de control. Los impulsores utilizados son del tipo M57959L, de Powerex. Estos dispositivos son del tipo híbrido y son de alta velocidad; están diseñados para convertir niveles lógicos (TTL) de señales de control, en una adecuada excitación de

63

Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia CENIDET

compuerta de los 1GBT's (garantizando una conmutación rígida); las señales de entrada están aisladas del IGBT, por medio de optoacopladores de alta velocidad ( I 5 kVíps) y aka CMRR, simplifican el diseño de la etapa de excitación de compuerta, minimizando el número de componentes necesario; y además, cuentan con protección de cortocircuito usando técnicas de desaturación que le permiten una respuesta inmediata para apagar al IGBT y enviando una señal TTL a la tarjeta de control por un pin de salida [71].

En la figura VI.4 se observa, que cada uno de los dispositivos de conmutacióii cuenta con un circuito impulsor. Dado que el punto de referencia es diferente para cada interruptor, estos impulsores necesitan fuentes de alimentación independientes. Por recomendación del fabricante, las tensiones de alimentación requeridas para un buen funcionamiento son: +I5 V y-10 V [70].

IV.4.3 Pérdidas en los IGBT's

Las pérdidas totales en cada IGBT (PQ) están dadas por la ecuación (IV.5), es decir la suma de las pérdidas en conducción (Pss), más las pérdidas en conmutación (Psw).

Pe = Pss + Psw ec. (IV.5)

Pss = I,,~~~E(,T0,,(Dc0s8) ec. (IV.6) ec. (IV.7)

siendo:

psw= (ES,"(ON, + E,Myo,:F, )A," donde:

ICP = Corriente pico de salida. Vcqsai) = Tensión colector-emisor de saturación.

D = Ciclo de trabajo de la señal PWM. 8 = Ángulo de fase entre la tensión y corriente de salida.

Eswco~q = Energía de conmutación de encendido del IGBT por pulso a la corriente pico ICP.

Esw(~n)= Energía de conmutación de apagado del IGBT por pulso a la corriente pico ICP.

A continuación, se obtendrán los datos necesarios para resolver las ecuaciones (IV.6), (IV.7) y con ello la ec. (IV.5). Considerando que la corriente máxima generada por el inversor es de 8 A,, en el secundario del transformador, y de acuerdo a la relación de transformación, la corriente en el primario es de 16 A,,,,, y la corriente pico en el interruptor tiene el valor de la ec. (IV.8).

I,, =16x&=22.627A ec. (IV.8)

De las hojas de datos en [69], se tiene que:

Esw(~n) = Eswc~m = 0.7 mJ .-

VCE(sai)=2.1 V VFM=2.8V

64

CENIDET Capítulo IV. Diseño de In E i o p de Pr~tericin

En el cas0 de la conmutacióii por liistéresis, la corriente promedio generada es cero, por 10 tanto ei tiempo de conducción es D = 50%.

Por otro lado, la frecuencia de conmutación máxima perniitida para los IGBT's es defsw = 20 kHz.

Debido a que se tiene una bobina a la salida del inversor, la corriente esta desfasada 90" eléctricos con respecto a la tensión de salida. Es decir 0 = 90".

De acuerdo al dispositivo seleccioiiado, los valores de las resistencias térmicas consideradas son los siguientes:

ROJC = 0.40 "C/W RQJD = 0.90 "C/W Rocs = 0.15 "CIW

La temperatura de unión máxima permitida para el dispositivo IGBT seleccionado es de 150 "C, y la temperatura máxima permitida del encapsulado es de 125°C. Tomando un margen de seguridad se proponen los siguientes valores de temperatura:

TJQ = 120 "C TA = 55 "C.

Finalmente, sustituyendo los valores en las eCUaCiOneS (1V.9, (IV.6) Y (IV.71, se obtienen los siguientes resultados:

Pss=Ow Psw = 28 w P ~ = 2 8 w

IV.4.4 Pérdidas en los diodos

La siguiente ecuación define las pérdidas en los diodos.

P,] = I,, v,;,, [(I - cos B)D] ec. (IV.9)

donde:

VFM = Caída de tensión en sentido directo del diodo = 2.8 V, por 10 que:

Po = 31.6 w

IV.4.5 Diseño térmico

Una vez que se determinan las características del sistema, es conveniente analizar el comportamiento térmico del inversor con el objeto de evaluar la resistencia térmica disipador-ambiente (Rem) para evitar que en cualquier condición de carga, se alcance ia temperatura de unión máxima ( T J ~ ~ , ~ ~ ) de los dispositivos de potencia.

65

CENlDET Copifitlo IV. Diseño de In Efopo de Porerzcin I

U U U

T A Figura IV.5 Modelo Iériiiico de la erapa deporencia.

La capacidad de los semiconductores esta ligada a su ambiente térmico. Un exceso en su temperatura provoca la mayoría de las fallas, debido a un punto excesivamente caliente en la juntura. Por lo tanto, es importante un diseíio térmico adecuado, que mantenga la temperatura semiconductor-disipador dentro de los límites permitidos.

Para comenzar este análisis y basándose en [72], se considera el modelo térmico de la figura IV.5, de la etapa de potencia, utilizando una analogía eléctrica.

La resistencia térmica disipador-ambiente (RODA) para el caso de un inversor monofásico puente completo, esta dada por la ec. (IV.10).

donde:

TJQ = Temp. de unión en el

R ~ J C = R. térmica unión-encapsulado

Rem = R. térmica unión-encapsulado

RQCS = R. térmica encapsulado-

RQDA = R. térmica disipador-ambiente PQ = P. disipada por cada IGBT. Pu = P. disipada por cada diodo.

dispositivo. disipador del IGBT.

(IGBT).

(diodo).

Para resolver esta ecuación, es necesario sustituir en la ec. (IV.lO), las pérdidas en cada dispositivo de potencia calculadas en las secciones anteriores. De esta manera, se tiene que la resistencia disipador-ambiente es: RQUA= 0.188 "C/W

Las expresiones que determinan los valores de las temperaturas en los diferentes puntos son las siguientes:

66

CENIDET Cnpifulo I K Diseño de In Einpn de Poieircin

Temperatura en el disipador:

Temperatura en el encapsulado:

ec. (IV. 12)

Temperatura de unión en el IGBT:

Temperatura de unión en el diodo:

ec. (1V.14)

Sustituyendo los valores calculados se obtienen las temperaturas en varios puntos del sistema:

To = 99.82 'C

TJQ = 1 19.96 "C

Tc = 1 08.76 "C

Tlo = 137.2 "C

los cuales son valores aproximados de los valores máximos; aunque es dificil calcular la disipación de potencia de los dispositivos debido a fsw variable, se consideró el peor caso con la frecuencia máxima permitida.

IV.4.6 Análisis del tiempo muerto En la teoría, la operación de las señales de control en los interruptores de potencia

es ideal; es decir, no existen pérdidas por conmutación, ya que los tiempos de encendido y apagado son instantáneos. Sin embargo, en la realidad esto es iniposible, debido a que cualquier dispositivo que conmuta de encendido a apagado, o viceversa, invierte un tiempo determinado para realizar esta operación.

Si dos dispositivos de conmutación, se encueiitraii conectados en una misma rama (figura IV.6), es importante considerar los tiempos de encendido (tON) y de apagado (tom) de cada uno. Por ejemplo, cuando Qi conmute a apagado, Q2 no debe encender hasta que QI este completamente apagado. En caso de no considerar los tiempos tON y tow, los dos interruptores estarían encendidos simultáneamente en un determinado lapso de tiempo, que podría ocasionar algún tipo de daño tanto a los dispositivos de conmutación como a la propia fuente de CD.

Lo anterior se debe principalmente, a la inherente cola de apagado que presentan los IGBT's; la cual puede variar desde 500 nseg hasta 1 ó 2 pseg. Por esta razón y para evitar

67

Capítulo IV. Diseíio de In Etupn de Potericiu CENIDET

problemas de corto circuito, se considera cierto tiempo entre encendido y apagado de 10s IGBT’s. Este tiempo recibe el nombre de “tiempo muerto” (tm), y corresponde a la suma ~ J N + ~ J F F en el peor de los casos. En este diseño se consideró que el tiempo muerto necesario para evitar daño alguno en los módulos de IGBT’s, sería de 5 peg.

En las técnicas de conmutación que se utilizan para los interruptores de potencia conectados en una misma rama, es necesario contemplar en el diseño, un circuito adicional que proporcione el tiempo muerto, con la finalidad de evitar las consabidas consecuencias. El diagrama E.6 (apéndice E) corresponde al circuito implementado para este fin.

Es necesario señalar que al implementar un circuito de este tipo, las señales de control aplicadas a los IGBT’s varían en su ancho de pulso con respecto a las señales que se generan antes de dicho circuito; en la figura IV.7 se muestra este efecto. Definitivamente lo anterior afecta a la señal de salida del inversor, alterando su contenido armónico, (y en consecuencia la THD), a causa de la generación de armónicos que idealmente deberían ser cero.

u Figura IV.6.- Consideración del tiempo muerlo en las señales de conirol.

A

A

(a) (b) Figuru I K 7.- Variación de las señales de control al incluir el iienipa inuerro.

(a)Salida del Conlrol, (bJSalrda del crrcuiio de rienipo niiierlo.

68

CENIDET Capilulo I K DiseNo de la Etapa de Potencia

Corriente Positiva Corriente Negativa

I

Figligrtrn IY.8.- Análisis del efecto del rienipo niuerio en la teilsiáii de salida V’o.

En la figura IV.8, se muestra un inversor monofásico puente completo conectado a la carga en el momento en que se realizan las conmutacioiies, la corriente no es cero.

Para iniciar el análisis, se supone que los dispositivos de conmutación Q, y 4 4 están encendidos y que la corriente a través de ellos es de un valor positivo. La tensión de salida V‘o toma un valor de +VCU, idealmente. En el momento en que las señales de control apagan a Q, y Q4, los diodos D2 y Dj entran en conducción, y en ese momento V’o ahora toma un valor de - VCD, aún cuando las senales de control no hayan encendido a Q2 y Q3.

Esto se debe a la implementación del t,”, Cuando Q 2 y Q3 están encendidos y la corriente a través de ellos es negativa. La tensión de salida es - VCD, cuando Q 2 y 4 3 son apagados DI y D 4 entran en conducción y V’o toma el valor de +VCD [70].

IV.5 Transformador elevador La señal alterna que entrega el inversor pasa a través de un transformador, que eleva

su tensión al doble; ya que la tensión de CD debe ser mayor que la tensión pico de la red bajo cualquier condición de operación. Esto garantiza, que el sentido del flujo de la energía sea hacia la carga y a la red, y no al contrario. Además, se ha descrito en la sección 111.7.3, la necesidad de tener algún tipo de aislamiento galvánico entre el proiotipo y la red para no inyectarle componentes de CD a ésta última. Por lo tanto, este tipo de aislamiento lo provee el transformador.

Se requiere garantizar un flujo de energía en la dirección mostrada en la figura IV.9, es decir, que la potencia siempre se inyecte a la red eléctrica. Por ello, es necesario que se cumpla la siguiente condición: que la tensión a la salida del inversor (VPWM) sea mayor que la tensión de la red (VCA), es decir, que durante todo el ciclo de línea se tenga la condición

IVPWMI ’ l v C A l ec. (iV.15) (lV.15).

69

Copífulo IV. Diseno de Io Efnpo de Pofeiicio CENIDET

VPWM +-*T+ ‘carga Carga

VCA

-

Figura IV.9.- Coitdicióit /VPtvM/> /VcA/pora la circirlacróii de corrieide e17 el seniido qiie se niiieslra

Dadas las magnitudes de las tensiones que se aplican a la entrada del inversor, para cumplir con la condición de inyectar potencia a la red, es necesario conectar un transformador a la salida del inversor.

La condición de inyectar en todo momento es porque el arreglo FV, al ser expuesto al sol empieza a producir cierta energía en sus terminales la cual debe ser consumida, o de lo contrario dicha energía se disipa a través de sus mismos módulos, lo cual provoca un calentamiento prematuro en los módulos FV y así restar eficiencia al desempeño del sistema.

Antes de seleccionar la relación de vueltas del transformador, se debe considerar que la tensión de la red tiene una variación alrededor de un valor nominal. En México, la norma CFE LOOOO-O2 [73] establece que para el suministro en baja tensión es:

AVcA =+lo% ec. (IV.16)

La tensión de red máxima se define por la ec. (IV. 17).

v,,,, = (1. 1>(;i2kVc. ) ec. (IV. 17)

Por lo tanto, la tensión de salida del sistema debe ser mayor a esta tensión de red máxima; y deacuerdo con [ 171, se establece un margen de seguridad del +lo% y se tiene la ec. (iV.18)

ec. (IV. 18)

sustituyendo la ec. (IV.17) en la ec. (IV.lS), resulta la ec. (IV.l9), que expresa el valor máximo de tensión que puede presentarse en la red eléctrica, debido a cualquier posible variación, y que la tensión de salida del sistema debe superar para poder cumplir la condición (IV. 15).

ec. (IV.19)

Finalmente, luego de conocer la tensión mínima en el bus de CD (100 VCD) y considerar la ec. (IV. 19), se decidió utilizar la relación de transformación (n) de la igualdad

v,.,, = (1.1xvCAMAz )

v,,, = (1.7 1 1Xvu 1

70

CENIDET Capítiilo I K Diseño de lo Etnpa de Potencio

(IV.20). El transformador utilizado es el mismo del SFIPA; cuya capacidad es de 1 kVA con 93.38 % de eficiencia [17].

tl = 2 ec. (IV.20) Esta relación es la mínima necesaria para garantizar eii cualquier moniento la

inyección de potencia hacia la línea. En el caso en que, en algún momento no se cumpla la condición (lV.l5), el sistema operará en condiciones indeseables, ya que los módulos FV operan solo con tensión y corriente positiva, además, se podría producir una deformación en la corriente de salida del sistema degradando la calidad de la red en el PCC.

IV.6 Inductor de interconexión En la figura 1v.10, se muestra la conexión del inductor de interconexión &).

Debido a la coiifiguración VSI (salida en corriente) del prototipo, la función del inductor, es regular la corriente que se entrega a la red eléctrica y al usuario (la carga).

Por los objetivos planteados en este trabajo de investigación, se tiene que Lr, debe ser diseñado de tal manera que entregue formas de onda de Corriente adecuadas, para alcanzar una eficiencia energética en su interacción con el conjunto red-carga. Es decir, se tienen dos compromisos: por un lado, el prototipo debe entregar una corriente activa lo más senoidal posible, (sin adicionar armónicos); y por el otro, se debe entregar una energía no activa, que compense potencia reactiva y reduzca la contaminación armónica (debido a la demanda de corriente por las CNL) en el PCC.

'IN" - v p w + - / F T p

1 2

Figura I K I O - Bobiiia de iitierconexroi~ a la red

El primer compromiso se cubrió en el SFIPA, donde en un intervalo de 13 mH a 104.6 mH, se consideró el de 34 mH como el valor adecuado para Lr dando buenos resultados (veáse el apéndice C en [17]). Ahora, para salvar el compromiso restante, se procedió a un rediseño de LF, de manera que su valor, también contribuyera a las funciones de FA. En seguida se tienen los puntos de diseño contemplados para dichas funciones.

Para establecer el valor de LI;, se debe partir de las características de compensación deseadas en el FA. Para ello, es necesario considerar las características de la corriente de ia CNL, especialmente en el máximo di/di que esta alcanza. Para encontrar este valor, se estimó una demanda de corriente no lineal, de 10 Aplco; dentro de la capacidad del inversor. La CNL fue tipo fuente de tensión, Para este diseño se llevo a cabo, una sencilla simulación en Pspice, con los valores mencionados, para observar gráficamente el comportamiento de

71

Capííulo I K Diseño de la Eiapa de Poreitcia CENIDE T

la derivada (dicN-Jdr). En la figura IV.11, se muestran los resultados de la simulacióti. El valor máximo de la derivada fue 6.6186 A/ms y tiene lugar, poco después que la corriente en la CNL empieza a ser mayor (o menor) a cero.

En la ec. (IV.21) se tiene la tensión en un inductor, por lo tanto, conociendo el valor máximo de dicnir/dt se puede conocer el valor de LF Sin embargo, se debe considerar el comportamiento de la tensión en los extremos de LF.

ec. (IV.21)

Para analizar dicho comportamiento, considérese la figura IV.12; los niveles de tensión en LI; están dados por las ecuaciones (1V.22) y (IV.23), para el valor mínimo y máximo respectivamente.

Figura IV.11.- Gráfica de la derivada de la carrienie eii la CNL (arriba); corrienie de la CNL y iensión de red (abajo).

.*",,,.. ......... 1 1 Figara IV.12.- Tensión máxima y mlniina en LF

12

CENIDET Cupitdo IV. Diseíio de la E f u p de Poteitcin

I VL,",, = 12VIW + VNl,l ec. (IV.23)

donde VPWM = 150 I 100 V (máximo / mínimo en el arreglo FV) y VcA = 180 Vplc0. Sustituyendo los valores de tensión se tiene:

VLm,,, = 2 (100) v - 180 v = 20 v V~mmx=2 (150) V + 180 V = 480V

lo anterior, sugiere dos valores de inductancia mínimo y máximo, ecuaciones (IV.24) y (IV.25) respectivamente.

di

ec. (IV.24)

ec. (IV.25)

Con base en los resultados presentados, se obtuvo en el laboratorio un valor de inductancia para L,:, muy adecuado para el FA. Este fue de 9mH, sin embargo, estaba por debajo del limite inferior sugerido en el SFIPA; y generaba un rizado de corriente, ancho, lo que afectaba la THD de corriente de la señal de salida. Por esa razón, finalmente se optó por dejar el mismo valor de inductancia obtenido para el SFlPA (L,: = 34 mH), por dos razones importantes: a).-. encontrarse dentro de los valores aceptables para un adecuado funcionamiento como FA; y b),- los resultados que arrojó el desempeiio de SU funcionamiento, durante las pruebas de laboratorio a las que fue sometido el prototipo.

IV.7 Potencia aparente manejada como FA La potencia aparente que maneja el FA esta directamente relacionada con la

corriente armónica que circula a través de él y la tensión en terminales [74], es decir:

donde: S,: = Potencia aparente manejada como FA

I h M S = Corriente eficaz, a compensar por el FA THD = Distorsión Armónica Total de la corriente de la carga, y que será

Vs, = Tensión fase-neutro = 127 VCA

compensada por el FA = 120 YO (estimada). I ) = Componente fundamental de la corriente de carga = 5 A

73

Capílulo I K Disetio de in Etapa de Potencia CENIDET

Se han estimando valores de corriente para varias CNL, en consumo residencial y del tipo fuente de tensión. Sustituyendo estos valores en la ec. IV.26, se tiene que la potencia aparente manejada por el FA, para las condiciones estimadas es:

S,; =(THD)I,V, = (1.2)(5A)(180V)= 1080Vars

Este valor es representativo, ya que el consumo de las cargas residenciales supera ligeramente los 5 A estimados. Sin embargo, da una idea de que para tales condiciones, el FA podrá disminuir notablemente las magnitudes de los armónicos que contaminan a la red eléctrica, sobretodo' los de menor orden. También debe considerarse que la THD toma valores inferiores al 50 YO debido al consumo de corriente de CL resistivas, tales como lámparas incandescentes (ver el apéndice A).

74

CAPíTULO V

Res u Itados Exp ei-im en íales

V.l Introducción

En este capítulo se presentan los resultados más representativos del trabajo de investigación desarrollado, al cual se hará referencia como SFV. Se comienza separando dichos resultados en términos de compensación reactiva y activa a manera de apreciar el comportamiento del prototipo para cada caso. Se presentan también el desempeño del SFV con diferentes tipos de cargas eléctricas tanto no lineales (CNL), como lineales (CL). Se presenta la dinámica del mismo ante el cambio de carga.

En la actualidad es común que se utilice el término “potencia reactiva”, para referirse a la potencia no activa (Q+ D); es decir se incluye la potencia de distorsión debida a los armónicos (O). En estos resultados se seguirá este criterio. En este sentido se presenta también un análisis de resultados en términos de su espectro en frecuencia y la THD de corriente, con la finalidad de reunir condiciones y evaluar la contribución de este trabajo de investigación en la calidad de la red.

Finalmente se presenta una evaluación en función de la producción y pérdidas que se tendría en la interacción del SFV con el binomio red eléctrica - carga (usuario de la red) en un determinado periodo, con la intención de mostrar el impacto tecnológico que tiene para dicho binomio los SFV de este tipo.

Capítulo V. Resultados Experinieritales CENIDET

En la figura V.l se inuestra el flujo de potencia. Se tiene el sentido de la corriente del SFV, de la carga (ZL) y de la red eléctrica, representadas con ISFV, IZL e Ici\ respectivamente. La tensión en la red eléctrica se denota por VcA. La teiisión de las celdas FV, fue emulada con una fuente de alimentación de 0-500 VCD a 1kW; de la cual se obtuvieron 150 Vcu a 5 Acu, para todas las pruebas realizadas ai prototipo.

Figura V.1.- Flujo de corrienles eii la interconexióii del SFV con la red eléctrica y la carga (ZJ.

En cada punto se especificarán las condiciones de prueba. Para las señales medidas en el osciloscopio por el canal correspondiente, es necesario que en la lectura de las carátulas se considere el factor indicado en cada caso. Cabe mencionar que a lo largo de este capítulo, las lecturas de corriente vistas en las figuras se ven afectadas por algunos factores, tales como: componentes eléctricos no ideales, tolerancias de los sensores de corriente y por las funciones algorítmicas que intervienen en la adquisición de datos del osciloscopio digital einpleado.

V.2 Especificaciones del prototipo

Tabla Y.1.- Características generales del sistema de cogeneración coiifia?cioiies de FA.

Funciones de FA

roteccion vs. islaitdin

- .- - - - - _ -

Detección de la señal reacliva Tipo de modulación

I Técnica de Cancelación de Interferencia Adaptable. I PWM por histéresis; de 2 niveles.

76

CENIDET Capítiilo V. Resrrltndos Experiiiienta/es

V.3 Compensación de potencia reactiva

En esta prueba se anuló la etapa de coinpensacióii activa. Es decir, el sistema de cogeneración solamente inyecta corrientes reactiva y armónicos a la red como si estuviese operando durante la noche, ya que no se tendria potencia FV por las celdas solares. En esie caso la carga &, es no lineal (ver figura V.1).

V.3.1 Carga no lineal, tipo fuente de tensión Para caracterizar el funcionamiento del prototipo con los valores seleccionados para el

inductor de interconexión, LF; se presentan los resultados que arrojan los dos valores representativos de inductancia en las funciones de FA, obtenidos en la etapa de diseño. Se consideró una CNL de este tipo dado a que es la carga que mayormente se encuentra conectada a la red eléctrica y cuyos valores de THD son más elevados; en comparación con las cargas tipo fuente de corriente. Además, los valores de di/dt que toma la corriente que demanda este tipo de CNL son elevados (específicaniente alrededor de sus valores máximos y mínimos).

Para esta prueba se usó como CNL un monitor de PC, con una potencia de 85 W. La corriente pico de esta carga es de 2.0 Ap y su consumo eficaz para una tensión de red de 127 VCA, es de 0.67 ARMS.

En la patie inferior de la figura V.2 se tiene una corriente de 2.0 Ap, que demanda la carga ZL (IzL), su valor eficaz es de 0.716 ARMS. En la parte superior se tiene la señal de corriente entregada por la red (IC,& junto con la tensión alterna de la red eléctrica (VCA). La forma de onda de la corriente está en fase con la tensión.

CNL tipo fuente de tensión, filtro induetivo, LF = 34 mH

Figura V.2.- Formas de onda de lensión y cori’ienle de iínea, corrienle en ZL; cuando se contpensa corriente reacfiva (L, = 34 i~ iH) .

Figura V.3.- Formas de onda de lensióii y corrienle del inverso>: corrienfe en Z,.; cuando se compensa corrien~e reacliva (LF = 34 inif).

77

CENIDET Copiiulo V. Resulindos Expeririieninles

En la figura V.3 se tiene la corriente reactiva que se inyecta a la red por parte del prototipo (lsFv), para compensar los armónicos que demanda la CNL. Esta corriente tiene un valor eficaz de 0.529 ARMS.

En la parte inferior de la figura V.4 se observa que la corriente demandada por la carga, Izi. (canal 1) sigue siendo la misma que el caso anterior. En la parte superior se tiene la señal de corriente entregada por la red (IcA) junto con la tensión alterna (VCA). En estas formas de onda se aprecia el instante en que se pone en marcha el prototipo, para llevar a cabo la compensación de potencia reactiva; es notable como los armónicos son reducidos a valores despreciables. Por simple inspección, la magnitud de la corriente pico se abate al 50 % de su valor y la forma de onda de la corriente está en fase con la tensión. También, se aprecia como la forma de onda de la corriente en la CNL no se ve alterada en lo más mínimo; es decir la operación del prototipo no genera perturbaciones representativas que puedan afectar el desempeño de la CNL.

CNL tipo fuente de tensión, filtro inductivo, Lp=9mH

En la figura V.5 se tiene la corriente reactiva que se inyecta a la red por parte del prototipo, cuyo valor eficaz es de 0.62 ARM^. La escala para IZL en el canal 1 es de 2 Aídiv, para Ver\ es de 50 V/div, para ICA es de 1 Mdiv en la figura V.4, y 0.5 A/div para ISFV en la figura v.5.

Figura V.4.- lnstanfe en ei que se coriipensa Figura V.5.- Formas de onda de iensibn y coprienie corriente reactiva, con LF = 9inH. del inversor, corrienie en ZL: cuando se cornpenso

corrienfe reacfiva (Lr = 9 ini i) .

Fuente de alimentación variable En esta sección, la CNL fue una fuente de alimentación de CD con tensión variable, en

cuya salida se conectó una resistencia de 14 C2 a 1 kW. La tensión con que se alimentó a la carga de 14 C2, fue de 50 VCO. En la parte superior de la figura V.6 se tiene la señal de corriente entregada por la red (IcA), junto con la tensión alterna (VCA). Nótese que la forma de onda de la corriente esta en fase con la tensión; aunque la corriente reactiva no se logra compensar completamente. En la parte inferior se tiene la corriente que demanda la carga, 1zL (canal I ) y se debe tomar en cuenta que la escala de medición es diferente a ICA.

78

Figura V. 7. Formas de onda de rensióil y corriente de línea. corrienle en ZI,: insranre cuando se deja de conrpeiisar corrieriie reacriva. Lr = 9inH.

En la figura V.7 se presenta el instante en que se deja de inyectar corriente reactiva a la red eléctrica. En la parte superior se tiene la señal de corriente entregada por la red (IcA) con la tensión altema (VCA). Nótese que la forma de onda de la corriente estaen fase con la tensión. En la parte inferior se tiene la corriente que demanda la carga, IZL (canal I ) .

Análisis de resultados Los resultados siguientes permiten evaluar el desempeño del prototipo al compensar

armónicos de un CNL del tipo fuente de tensión. Para ello se hará uso de la tabla V.2 en donde se presentan los resultados de las tres pruebas anteriores; apoyándose en fa THD correspondiente y en el porcentaje de cada armónico con respecto a la componente fundamental. Los datos presentados del contenido armónico serán sin compensación y con ella.

Tablu V.2.- Resultados del conlenido arnióiiico para las pruebas con inia CNL del lipojtienle de reiisión.

de PC NO 10.6317 I 114.861 80.35 1 63.10 I 44.05 I 25.001 11.01 I 5.601 6.50 SI I 0.9742 1 11.53 I 8.09 I 4.27 I 4.30 I 1.85 I 0.70 I 0.40 I 0.80

Para indicar el estado de operación de las funciones del FA del prototipo se utiliza SI o NO. Por lo que un estado NO mostrará el contenido armónico de la corriente que suministra ia

79

~-

Capítulo V . Resuliados Experimentales CENIDET--

red eléctrica a sus usuarios, normalmente; y Si el resultado de la compensación de energía no activa, en este caso componentes armónicas.

Para el monitor de PC, su contenido armónico en la corriente demandada de la red es alto; principalmente los primeros armónicos como el 3" y 5", cuyos valores respectivos, en ambos valores de LF, están alrededor del 83 y 6 % de la magnitud de la componente fundamental (11). En la compensación de potencia reactiva se tiene que la magnitud de estos armónicos entregados por ICA se ven reducidos satisfactoriamente. En el caso de LF= 9mH se tiene el caso más favorable, aunque se debe señalar que los valores de THD no presentan una diferencia considerable. Por otro lado, en las figuras V.8 y V.9 se presentan los espectros en frecuencia (EF) del contenido armónico de ISFV, para cada caso.

o. 1

O 100

'I-.' , , , --

F m a (M

Figura Y.9.- EF de lo lrrv que compensa potencio Figura Y.8.- EF de la lsrv que compensa pofencio reacfiva (LF=34mH). reocfiva (Lr=9mH)

,

AI final de la tabla V.2 se tiene el caso de la fuente de tensión de CD alimentando una baja resistencia. Puesto que la razón de esta prueba fue presentar un caso extremo donde la demanda de corriente no lineal a la red eléctrica fuera alta, y mostrar que el prototipo, aunque no es capaz de compensarla significativamente, sí disminuye la contaminación armónica a valores satisfactorios. El consumo de corriente en la red por la CNL tiene un alto contenido armónico; los armónicos 3' y 5" presentan valores que oscilan entre un 78 y 58 % de la magnitud de la fundamental para ambos casos. Ai compensar potencia reactiva se tiene que la magnitud de los armónicos entregados por ICA, se ven reducidos considerablemente. En el caso de LF = 9mH se tiene el caso más favorable, puesto que los valores de THD denotan una diferencia considerable. Por otro lado, en las figuras V.10 y V.11 se presentan los espectros en frecuencia del contenido armónico de ISFV para cada caso, que compensa la potencia reactiva que se demanda de la red eléctrica por la CNL.

80

- ,

CENIDET. Capítulo K Resultados Experinreníales

lo0 10' 10' 10' 10' FmxmxLa (e)

Figura V.10.- Especfro en frecuencia.de la lSFv que compensa potencia reaciiva (Ll:=34r1iii).

__-,_

I . : , , , , i , , , . . , , .

id

Figura V. I1.- Espectro en frecuencia de la IsFv que coiiipeitsa potencia reaciiva (LI:=YiiiH).

V.3.2 Carga no lineal, tipo fuente de corriente En esta sección, se conectó como CNL del tipo fuente de corriente, un puente rectificador

alimentando una carga inductiva RL serie. Para evaluar el desempeño del filtrado activo se tomaron dos valores diferentes de inductancia en la carga citada. Uno de ellos, RLi con LZL= 450.34 mH y el otro, RL2 con LzL= 775 mH. y una resistencia serie de 14.3 R. El valor de LF se mantuvo de 9 mH; cuyo di/df medido en I s r ;~ fue de 0.023Mp.

Figura V.12.- Formas de onda de tensión y corriertle de línea, corriente en Z,; cuando se compensa corrienfe reaciiva. Caso M I .

Figura V.13. Formas de onda de tensión y corriente de línea, corrienle en Z,; instante cuando se compensa corrienfe reacfiva. Caso RL2.

En la figura V.12 la CNL fue el puente rectificador citado, alimentando la carga RLI serie (L1=450.34 mH). En la parte superior de la figura V.12 se tiene la señal de corriente entregada por la red ( 1 ~ ~ ) junto con la tensión alterna (VO) en el momento que se compensa la potencia

CNL tipo fuente de corriente con carga F U I

81

Capitulo V. Resullados Experimentales CENIDET

reactiva. Esta corriente está en fase con la tensión, por lo que es activa y su valor es de 4.5 ARMS. En la parte inferior, se tiene la corriente que demanda ZL (1~1. en el canal 1), cuyo valor es de 7.3 ARMS y 10 A p . El valor de la di/dt de esta corriente no lineal es de 0.107 A / p

serie, tiene

En la CNL tipo fuente de corriente, se modificó el valor de la iiiductancia de la carga RLI para tener ahora la carga RL2, donde L2 = 775 mH. En la parte superior de la figura V. 13 Se la señal de corriente entregada por la red ( 1 ~ ~ ) junto con su tensión ( V a ) . Nótese que la

forma de onda de la comente tiene forma senoidal y está en fase con la tensión; su valor es de 3.6 ARMS. En la parte inferior (canal I ) , se tiene la corriente que demanda la carga RL2 (IzL) cuya magnitud es de 5.84 ARMS y 8 Ap. El valor de la di/di de esta corriente no lineal es de 0.09 A / p .

CNL tipo fuente dc corriente con carga RLz

Reuniendo condiciones, en las figuras V.12 a V.13 se presentan sobretiros de corriente en los cruces por cero de la señal; siendo ligeramente mayor en RL2 (considerar la diferencia de escalas). Esto se debe al seguimiento de la corriente de salida del prototipo (ISIT"), a su sefial de referencia (set poini), que no es tan fiel en los cruces por cero, donde se presentan los valores máximos de diídi por la CNL.

Análisis de resultados Los resultados siguientes permiten evaluar el desempefio del prototipo al compensar

armónicos de un CNL del tipo fuente de corriente. Para ello se liará uso de la tabla V.3 en donde se presenían los resuliados de las pruebas correspondiente al caso de RLI y R L 2 ; apoyándose de la THD correspondiente y en el porcentaje de cada armónico con respecto a la componente fundamental.

Tabla V.3.- Resultados del conretiido arinónicopara lasprirebos con iina CNL del fipofiienre de coriienie

NO 1 0.88361 36.61 I 26.93 I 16.23 1 11.83 I 9.23 I 7.541 6.33 I 5.43 SI I 0.8838 1 37.10 1 19.21 1 14.65 I 13.591 12.861 12.37 I 12.001 11.62 RL2

AI igual que en la tabla V.2 los datos presentados del contenido armónico serán sin compensación y con ella. Para indicar el estado de operación de las funciones del FA del prototipo se utiliza SI ó NO. Por lo que un estado NO mostrará el contenido armónico de la corriente que suministra la red eléctrica a sus usuarios normalmente; y SI el resultado de la compensación de energía no activa, en este caso componentes armónicas.

En los resultados de la tabla V.3 se tiene que para una CNL del tipo fuente de corriente, su contenido armónico en la corriente demandada de la red es bajo, comparado con los resultados de la tabla V.2; puesto que sus valores de THD están alrededor de la tercera parte. Tomando como valores más representativos del contenido armónico al 3", se tiene que su valor oscila

82

CENIDET ~ Cnpítiilo V. Resirlfndos Experiinentnles

alrededor del 17.0 % de la magnitud de la componente fundamental (para ambos casos). Durante la compensación de potencia reactiva se tiene que la magnitud de los armónicos entregados por ICA, se ven reducidos satisfactoriamente. En términos de la THD, se deduce que para RLI disminuyó cerca de un 64.0 % de su valor sin compensación; pero los resultados con RL2 no son favorables debido a un aparente incremento en la THD al compensar. Sin embargo, en este último caso, la magnitud de los armónicos de primer orden se reduce considerablemente; y el incremento en la THD se debe, por un lado a un incremento que presentan los armónicos a partir del 7" armónico en adelante y por oiro. a una disminución en la magnitud de la componente fundamental. Ver figuras V.14 y V.15

F m d a (W!)

Figura V.14.- EF de io lcA con Z,, tipo fuenie de corrienle (RL J ; sin coinpensor poiencia reociiva. THD = 36.61 %.

Figura V.15.- EF de io icA con Z,, iipo /uenie de corriente ('2; compensando potencia reactiva (Lr=9f1iH). THD = 37. IO %.

V.3.3 Carga lineal reactiva tipo capacitiva, RC paralelo En este caso ZL fue una carga lineal RC paralelo. La capacitancia fue de C ~ = 1 4 . 8 5 pF y

la R = 70.8 a. En la parte superior de la figura V.16 se tiene la señal de corriente entregada por la red (IcA) junto con la tensión alterna ( V ~ A ) . Nótese que la forma de onda de la corriente esta en fase con la tensión y se tiene un FP de 0.863 en la red eléctrica mientras se compensa potencia reactiva; de lo contrario se tiene un FP de 0.43 en adelanto. En la parte inferior, se tiene la corriente que demanda la carga ZL en el canal 1, cuyo valor es de 7 AP y 4.98 ARMS. Debido a la interconexión de la carga capacitiva, la impedancia que se presenta a la corriente de compensación del prototipo, es baja (principalmente el rizo de corriente cuya frecuencia es de 1.536 kHz); por lo que se presenta el rizo de corriente superpuesto en la IZL, a la frecuencia de conmutación í&), debido a la técnica de modulación empleada.

83

CENIDET Capitulo V. Resultados Experimentales 3

Figura V.16.- Instante en que se deja de compensar Figura V.17.- EF de la íu con Z, lipa lineal, RC corrienie reactiva; siendo Z, lineal, RC paralelo. paralelo: compensando potencia reactiva

(LF=34niH). THD = 6.05 %.

En seguida se analizan los resultados de la carga lineal (CL) capacitiva, con base en su contenido armónico (apoyándose en el EF y la THD), con la finalidad de evaluar como impacta la conexión de una CL con el prototipo, a la red eléctrica. Debido a que se trata de una CL, no se presenta el EF de ICA antes de la compensación. En la figura V.17 se presenta el EF de ICA cuando se compensa potencia reactiva. Se tienen armónicos de alto orden, correspondientes a la frecuencia de conmutación (f,~) del prototipo, con valores de alrededor de 1.5 kHz. La magnitud de estos armónicos es pequeña y además interfieren la corriente de la carga; sin embargo se sabe que las cargas capacitivas no son muy comunes en las aplicaciones a donde está orientado el presente diseño.

V.3.4 Carga lineal reactiva tipo inductiva, motor En este caso, la ZL fue una carga lineal inductiva; dicha carga fue el motor de un esmeril

de !4 HP, que de acuerdo con las lecturas tomadas por el analizador de demanda eléctrica [75], tiene un consumo de 187 W, 3 19 Vars y un FP de 0.506.

En la parte inferior de la figura V. 18 se tiene la corriente que demanda la carga, IzL (canal 1), cuyo valor es de 2.4 Ap y 1.6 ARMS. En la parte superior se tiene la señal de corriente entregada por la red (IcA) y la tensión alterna (VCA). En esta figura se tiene el instante en que se deja de compensar potencia reactiva. Nótese como al compensar se tiene un FP unitario, con una corriente pico de 1.2 Ap; y al cesar la compensación, se tiene el desplazamiento de la corriente, por el FP menor que 1 (en atraso), debido a la carga inductiva. Se tiene entonces que la corriente pico sube a 2.4 Ap, que corresponde con la corriente IzL.

84

CENIDET Capíiiilo V. Resulíados Experirneiiiales

' i j

0.8 ~ : j

3 i

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0.4. I !

j ! i 0.2 . , I 1 o --

100

Figura Y.18.- inslanle en que se deja de conipensar Figura V.19.- EF de la ir, con Z, rip0 Ibieal, fU serie; corrierile reacliva; siendo Z,. lineal, u11 moior de compenso,ido polencia reactiva ( ~ ~ ~ 3 4 " ~ ~ ) . esmeril. THD = 4.33 %.

A continuación, se analizan los resultados de la CL inductiva, con base en su contenido armónico, utilizando el EF y la THD, con la finalidad de evaluar como impacta la conexión de una CL de estas características con el prototipo, a la red eléctrica. Por la misma razón que el caso anterior, no se presenta el EF de ICA antes de la compensación.

En la figura V.19 se presenta el EF de ICA cuando se compensa potencia reactiva; en ella se muestra que en ICA se tienen armónicos de bajo orden (inclusive magnitud), como el 3er armónico, Como es de esperarse para una CL de estas características, se tiene un valor reducido de THD y no se tienen armónicos de alto orden con magnitudes considerables que puedan interferir; debido a fs, al menos en los primeros 5 kIiz.

V.4 Compensación de potencia activa

En esta sección se presentan los resultados correspondientes a la prueba de la etapa de inyección activa con la etapa de compensación de potencia reactiva sin operar. Lo anterior con la finalidad de apreciar el adecuado funcionamiento del sistema de cogeneración al interactuar con la red eléctrica. Para la prueba, se utilizó una carga resistiva de 70.8 C¿ como carga (ZL). En las figuras de esta sección se han incluido los cursores del osciloscopio (líneas horizontales, simétricas al eje del tiempo) con la finalidad de tener una referencia para apreciar el comportamiento de la magnitud de la corriente de la red. Esta franja es de 2.4 A de ancho.

85

CENIDET Cnpíiiilo V. Restilindos Experirrreitinles .

Figura V.20.- Proioiipo inyeclando poiencia activa a Zl..

Figuro V.21.- Prototipo inyectando potencia activa a la red eléctrica.

V.4.1 Sistema de cogeneración inyectando corriente a Z L En la figura V.20 se tiene al sistema de cogeneración inyectando potencia activa; dicha

potencia permite que la corriente que entrega la red eléctrica, disminuya, mientras que la corriente demanda por ZL no varía. En esta sección la escala para las formas de onda permanecen sin cambio.

Se tiene entonces que ZL demanda 1.656 ARMS (IzL). La corriente entregada por el prototipo es de 1.305 ARMS (1st:") y la corriente que entrega la línea es 0.572 ARMS (IC+,). En otras palabras, el prototipo entrega el 78.8% de la ILL; mientras que la red eléctrica contribuye ahora con el 21.2% restante.

V.4.2 Sistema de cogeneración inyectando corriente activa a la red En la figura V.21 se tiene que el prototipo inyecta poieiicia activa (IsFv), sólo que en este

caso la corriente que entrega es tal que ahora se inyecta corriente activa tanto a ZL como a la red eléctrica. Por esta razón ta señal de corriente (IcA), está en contrafase con respecto a la iensión de la red.

Por otro lado la corriente activa en la carga permanece igual (canal I ) y la red eléctrica en lugar de entregar corriente, la recibe; de esta manera se observa que el prototipo suministra toda la potencia activa que demanda ZL y su excedente lo inyecta a la red eléctrica.

La escala para los canales del osciloscopio son idénticos a los anteriores. En la figura V.21 se tiene que el prototipo entrega una corriente de 3.17 ARMS; de los cuales el 52.5 % (1.664 ARMS) se entregó a ZL y el 40.5 % (1.284 ARMS) a la red. Para este caso se tuvieron pérdidas del 7% (0.222 ARMS).

86

CENIDE T + Cnpíliilo K Resirltndos Expcrirnertrnles

V.5 Compensación de potencia activa y reactiva

En esta sección se presentan los resultados de las pruebas que se Iiicieroti al prototipo, operando durante el periodo de insolación. Es decir el prototipo inyecta potencia activa y reactiva a la red eléctrica. Se alimentó a una CNL, como carga ZL. Tek Run: 2s.Oks/s HI "es

~.-T

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

Figura V.22.- Formas de onda de la ieiisiúii y corrieiiie en la línea (arriba);corrienie eii 21, (centro) y el sei poini (abajo).

Tek R u n 2 5 . 0 k S I s 111 uer [ ..........

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . .

Figura V.23.- Corrieiiie de salida del proioiipo y ieiisiúii eii la lhea (arriba):corrieiiie eii ZL (centro) y ser poiiii (abajo).

V.5.1 Potencia con baja irradiancia solar En esta sección, se presenta la inyección de baja potencia activa (baja irradiancia solar) y

potencia reactiva necesaria para reducir la potencia reactiva que suministra la red eléctrica para ZL. En la figura V.22 se tiene una tensión de red de 127 VcA (canal 3); una corriente en la red eléctrica de 0 . 7 3 A ~ ~ ~ (canal 4); y la corriente en ZL de 3.3ARMS (canal 1). En el canal 2 se tiene ei set point del prototipo y es una señal de tensión de 7 5 6 m V ~ ~ s , donde se tiene que ia señal activa es muy pequeña (400mVp) comparada con la señal reactiva (2.4 Vp); nótese una ligera forma sinusoidal, en la cual esta superpuesta la componente no activa, cuya magnitud es dominante. De esta manera se observa como la red eléctrica es compensada con potencia activa y reactiva, proporcionando una corriente muy baja. En la parte superior de la figura V.23, a diferencia de la figura V.22, se muestra la corriente que entrega el prototipo junto con la tensión de la red. En la parte central está la corrieiite eii ZL y eii la parte inferior el se[ point. En esta figura se puede verificar como la salida del prototipo (ISI:v) sigue fielmente al set point del control; es decir a la sumatoria de la componente activa más la no activa.

V.5.2 Potencia con alta irradiancia solar En esta prueba, se tiene una inyección de potencia activa mayor al caso anterior (alta

irradiancia solar) y la potencia reactiva será menor. En la figura V.24 se tiene una tensión de red de 127 VCA (canal 3), una corriente en la red de 3.4 ARMS en contrafase (canal 4), la corriente en ZL de 1.44 ARMs (canal 1) y el set point del prototipo (canal 2), una señal de tensión de 1.06 VRMS y 2.36 Vp. La señal de setpoinf corresponde a 4.045 ARMSNRMS.

87

~~~ CENIDET Capiiulo V. Resrrltadfls Experintentales

Figurn V.25.- Foriiias de oiida del se1 poi111 (arriba); re~lsióri eii la linea y corriente del iiii~ersor (cenlro) Y corrieiite en Zf, (abajo).

Figura V.24,- Formas de onda del set poiril (arriba);iensióii y cor7ieiire eii la linea (cenlro) y cor.~ieiiie en Zf. (abajo).

Por otro lado, nótese en el canal 2, como la seiial activa es de mayor amplitud (1 .G Vp) comparada con V.3.1, debido a una mayor potencia activa, por la presencia de una posible alta incidencia de energía solar. En esta figura se concluye que el prototipo presentado, aparte de compensar corriente reactiva, inyecta corriente activa hacia la red. En las formas de onda se aprecia, como la contaminación armónica se reduce significativamente.

La figura V.25 es parecida a la figura V.24, solainente que ahora se presenta la ISFV en lugar de la ICA; por lo tanto en la parte central se tiene la corrienie que entrega el prototipo ( 1 s ~ ) junto con la tensión de línea (VCA). Esta figura permite verificar como la salida del prototipo sigue fielmente al set poiiif del control; el cual con la ganancia citada genera una corriente de salida ISFV, de 4.29 ARMS.

Finalmente se analizan los resultados obtenidos en esta sección, con base en su contenido armónico con la ayuda del EF y la THD. Esto para mostrar como la interconexión del prototipo a la red eléctrica, contribuye a la calidad de red en el PCC, y además a la reducción de la demanda eléctrica en la hora punta. En las figuras V.26 y V.27 se presentan respectivamente, los EF de ICA cuando no se compensa y cuando se compensa potencia activa y reactiva. El valor de L ~ f u e de 34mH, la tensión en el bus de CD fue de 150 VCD. El valor de la THD de la Ica fue de 110.2 % (CNL tipo fuente de tensión) sin compensar y se reduce a un valor de 16 % al hacerlo. A partir de estos resultados, se tiene que la magnitud de la fundamental es mayor debido al suministro de corriente activa a la red y la magnitud de los armónicos de primer orden se reducen significativamente. Para el análisis de esta prueba se hubiera preferido tener una potencia disponible en el bus de CD de 1 kW, pero debido a las características de la fuente utilizada (suministrar 5 A máximo a 150 VCO), dicha potencia fue de 750 W; un valor satisfactorio.

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....,

CENIDET: Cupiiirlo Y. Residtudos Experinieriiules

1 4 -

1 2 -

1.

9 f o e .

04 -

02.-

O L

Figura V.26.- EF de la ICA con fuente de alimeniación de CD (VCD =25W IC,, =24, sin compensar potencia reactiva. THD = 110.20 %.

V.6 Dinámica del sistema

ES importante considerar la respuesta del desempeño de un FA ante un cambio de carga, debido a que en el área de aplicación a donde esta enfocado, es conocido que no se guarda un patrón de consumo constante. Por lo anterior, es necesario que el FA responda adecuadamente a la compensación de potencia reactiva, para evitar inyectar armónicos en lugar de compensarlos en la ocurrencia de dicho evento.

En la figura V.28 muestra los resultados de la prueba a la dinámica del sistema. Esta prueba se llevó a cabo durante la compensación de potencia activa y reactiva de la CL de la sección V.3.4 (lado izquierdo de la figura). En seguida se adicionó la CNL de la sección V.3.1 (lado derecho de la figura). Es claro como la respuesta dinámica del prototipo es inmediata y no se presentan perturbaciones significativas. La ICA está en contrafase con la tensión debido a la sobreinyección de potencia activa a la red. Por lo tanto se puede eváluar la respuesta rápida y robusta que proporciona tanto el control (CDCRA) del prototipo, como sus elementos de potencia; lo que para este tipo de aplicaciones es un valor convincente y adecuado.

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CENIDET Capitulo K Resuitfldos Experinieritales u

Figura Y.28.- Respuesta delproioiipo, aiife el combio de carga, durante la compensación de P y Q.

V.7 Estudio del flujo de energía

V.7.1 Gráficas de potencia En este punto se analiza la transferencia de potencia activa entie el prototipo (SFV) y el

conjunto red eléctrica - carga ( 2~ ) . Se conectó como ZL una CNL tipo fuente de tensión. La prueba se llevó acabo con un analizador de demanda eléctrica [75]; con la finalidad de tener resultados avalados por equipos de medición certificados en laboratorios autorizados.

r- Transferencia de Potencia Eléctrica 1 S O

1.25

1 .o0 0 .75

0.50

2 0.25

0.00

-0 .25

-0.50

-0.75

-1 .o0 O 5 10 15 20 2 5 30 3 5 4 0 4 5 50 5 5 60

Minutos

Figura Y.29.- Respuesta del SFV durante la transferencia depotencia activa al conjunto red eléctrica ,- usirario.

En la figura V.29 se muestra la operación del SFV durante una hora. La potencia que demanda la carga es constante (500W). AI principio de la gráfica se tiene que el SFV está apagado y la red suministra la potencia demandada por ZL. En seguida, el SFV comienza a inyectar potencia; y la que es entregada por la red eléctrica comienza a disminuir, hasta que

90

CENIDET Capítulo V . Resultados Experinterttales

obtiene valores negativos, debido a la sobreinyección de potencia excedente. En esta gráfica, en las pendientes de la potencia del SFV se observa el comportamiento del control que ubica el Punto de Máxima Potencia. Es necesario aclarar, que debido a las condiciones de la fuente de alimentación que emulan el arreglo FV, no se tenían valores de corriente registrables en el analizador de demanda; por lo que se duplicó el número de vueltas de los conductores en los sensores de corriente para poder realizar las mediciones correspondientes.

Balance de Potencias

1000 1

800 0.8 3 2 Y 2 600 0.6

$ 400 0.4

200 0.2

O O CL RED (%I) RED ( I ) SFV

I I P ( - ) o P o C l + D e e o S - c F P - Finura Y.30.- Respuesia del SFV durante la transferencia de potencia activa y reactiva, ai :anjutif0 . red elécfrica - usuario; así como el contporfarnienfo del FP (ariies y después de / a conipensación).

V.7.2 Aprovechamiento de energía En seguida, se analiza la transferencia de potencia activa y reactiva, entre el SFV y el

conjunto red eléctrica - carga (ZL), en los resultados de la CL tipo inductiva. En la figura V.30, se muestra un histograma de potencias, que debido a su proporcionalidad directa con la energía, permite tener una idea del comportamiento mismo de ésta. Antes de analizar la gráfica, considérese el ejemplo de un usuario residencial de la red eléctrica del apéndice A durante un lapso de medición con un analizador de demanda [75]. Se tiene un consumo de 770 W, 367 Vars y un FP de 90.2 %, durante la noche (la operación del refrigerador lleva el FP a 0.87). Estas mediciones muestran una carga con comportamiento ligeramente inductivo, y aunque puede tener los consumos de CNL (una PC y una TV), la TDH es del orden de 34.8 %. Esto se debe al consumo de 4 lámparas incandescentes. Se eligió este periodo de medición porque durante las noches es más frecuente la operación de CNL (al menos en patrones de consumo más comunes).

Para presentar un ejemplo relacionado con el caso anterior, se eligieron los resultados obtenidos de las pruebas a la CL tipo inductiva (como ZL). En la figura citada se tiene las potencias que demandan la carga; la red eléctrica antes y durante la compensación, es decir sin inyectar @/I) e inyectando (I); y finalmente las potencias que entrega el SFV. Así mismo se contrastan con el FP. Es claro como la red suple toda la potencia activa y reactiva que demanda ZL. Las potencias del histograma están ordenadas como sigue: potencia activa (P) en Watts, reactiva (Q+D) en Vars y aparente (5') en VAS.

91

CENIDET Capítulo V . Resultados Experimentales 3

Los resultados muestran como durante la compensación, el FP toma valores cercanos a la unidad, así como el comportamiento de S en la red eléctrica, además de incremeniarse (por la sobreinyección), su valor es casi idéntico a la P . Es decir, la red eléctrica maneja potencia activa, ya que la potencia reactiva es muy pequeña comparada con ella.

1

Producción y Pérdidas

.- U E al O c

a

O Potencia Útil Pérdidas

Figura V.31.- Producción ypérdidas depotencia eléctrica apotericia FVpico.

Finalmente, en la figura V.31 se muestra el anáiisis de los resultados de la sección V.5.2, en términos de la potencia activa. En el histograma, se presenta en forma consecuente: la potencia de CD disponible por lo que sería el arreglo FV (y que recibe el inversor del SFV); en seguida se tiene lo que entrega a la salida el SFV; y por último, lo que recibe el conjunto red eléctrica - usuario. Las pérdidas de potencia son mayores en el SFV que en su conexión con el conjunto red - usuario. Desde luego estas pérdidas se deben al acondicionamiento de la señal de CD a CA. En la columna central se tiene un valor del 80 %, que no es otra cosa que la eficiencia del SFV. Por la configuración eléctrica presente en la topología del SFV, se pensaría que esta ineficiencia se debe principalmente al transformador elevador, sin embargo la eficiencia de este es del 93.38 % [76]. Por lo que entonces las pérdidas están en el inductor de interconexión, pero priiicipalmente en el inversor; estas se pueden deber en parte a las inductancias parásitas en el cableado, a la conmutación dura y por otro lado a la modulación por histéresis (dos niveles). Sin embargo los resultados obtenidos son completamente satisfactorios.

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CAP~TULO VI

Conchs iones VI.l Introducción

Se presentan las conclusiones obtenidas durante el desarrollo del presente trabajo con la finalidad de poder evaluar el cumplimiento de los objetivos planteados, así como las alternativas de solución que se tomaron para el desarrollo de los mismos.

No se desea pasar por alto las conclusiones generales a las que se llegó simultáneamente con la investigación técnica, por lo que se comentarán en conjunto las conclusiones técnicas. AI final se presentarán los posibles trabajos futuros a desarrollar para mejorar el diseño, o bien para apoyar otros posibles desarrollos.

Es definitivo que para un futuro a corto plazo las fuentes de energia renovable tendrán mayor aplicación, puesto que mejoran la calidad de vida y el uso de la energía, evitando la posibilidad de crisis energéticas. Es claro entonces que el papel de la electrónica de potencia será imprescindible, sobretodo en un país abundante en recursos naturales como lo es el nuestro.

CENIDET Capítulo VI. Coiiclrrsioiies I

V1.2 Conclusiones

necesario tomar en consideración el desempeño del FP de la red eléctrica, cuando iriteractúa con la etapa de potencia de cualquier equipo que forme parte de un esquema de generación distribuida ( i t . : inversor, transformador de aislamiento, etc.). Desde luego, dicho equipo cumple con la normatividad para su interconexión y su FP es cercano a la unidad. Ahora bien, cuando este equipo suministra energía tal que excede la demandada por el usuario, entonces la energía excedente es entregada a la red en términos de potencia activa, y PCA ira disminuyendo conforme la red recibe energía (incluso puede anularse o cambiar de signo). Pero si el equipo citado no suministra la potencia reactiva ( Q y D) demandada por la carga del usuario, entonces lo seguirá haciendo la red y QCA mantiene su magnitud. Esta situación permite que la red reduzca el suministro de potencia activa durante los picos de demanda; sin embargo si PCA se reduce significativaniente, entonces la magnitud del fasor QCA comienza a dominar haciendo que el FP se vea seriamente afectado.

Por lo tanto, a diferencia de la mayoría de los SFV comerciales, el prototipo desarrollado en este trabajo de investigación ofrece las siguientes ventajas:

Dado que el sistema de cogeneración no solamente inyecta potencia activa, sino también proporciona potencia reactiva y de distorsión, se eleva entonces la calidad de la red eléctrica en el PCC, puesto que compensa el FP de la red. De esta manera se salvan costos por aumento de capacidad de generación y distribución para la compañía; o bien multas para el usuario por tener un bajo FP (usuarios con tarifas conlerciales).

AI compensar la potencia de distorsión (D) que demandan las CNL del usuario que se encuentren conectadas al PCC, disminuye la contaminación por corrientes armónicas. Se evita la distorsión en la señal de tensión que pueda afectar alguna carga crítica cercana, el aumento en las pérdidas del cobre en el devanado de los transformadores, la resonancia con condensadores conectados a la red (para compensar el FP) junto con la inductancia inherente a ésta, o incluso la disminución del FP. Por lo tanto se prolonga el tiempo de vida en el equipo eléctrico asociado al PCC.

En términos de generación distribuida, se mantienen los alcances del SFIPA. Es decir, tener un generador auxiliar conectado a la red eléctrica cuya función principal es proporcionar la energía necesaria para contribuir a la reducción de los picos de demanda máxima (inyectando potencia activa a la red) en regiones calurosas del país. Esto se logra mediante la operación en el Punto de Máxima Potencia (PMP) del arreglo FV.

Tiene un bajo factor de distorsión y formas de onda de alta calidad, que cumplen con la normatividad correspondiente. Además, al compensar (D) en condiciones normales, se tienen valores de THD para corriente que cumplen con las normas IEEE 519-1992 y con la CFE LOOOO-45. Se debe resaltar que definitivamente la impedancia resultante en el PCC influirá en la eficiencia de las funciones de FA.

94

El sistema es confiable debido a su sistema de protecciones eléctricas, ya que evitan anomalías de carácter téciiico en la red eléctrica y daños al propio usuario o al personal de mantenimiento de la compañía eléctrica (debido al efecto islanding).

SU construcción involucra elementos de viabilidad tecnológica, lo que io hace económicamente factible para aplicaciones residenciales.

Además, se debe considerar en México la interconexión de este tipo de SFV en regiones calurosas, ofreciendo de manera indirecta alternativas adecuadas para poder aumentar el volumen de generación de energía eléctrica; sin afectar ni al medio ambiente, ni a los usuarios de CFE cercanos a la zona.

En la detección de la señal no activa a compensar para las funciones de FA de este desarrollo se utilizó un filtro analógico, basado en la técnica adaptiva para la cancelación de interferencia, presentado por [37]. Mediante esta técnica de detección y para este tipo de aplicaciones en baja potencia, el control iniplementado en el CDCRA es confiable debido a su simplicidad y robustez; además permite al FA tener una rápida respuesta de compensación (incluso ante el cambio de carga). Esto último se debe a las ventajas de la técnica empleada y a su implementación analógica. Otra ventaja relevante que tiene el control es que su operación es casi independiente de la variación de los parámetros en los componentes pasivos del circuito analógico, sea por envejecimiento, temperatura, etc.

Al emplear la modulación PWM por histéresis, se tiene la desventaja de tener una frecuencia de conmutación variable; pero se tiene una sincronización con la ied eléctrica a través de un circuito sencillo. Además, se obliga a la corriente de salida a seguir la señal de referencia (set point); aunque también la forma de onda de esta corriente es dependiente del valor de LF y de la banda de histéresis (4.

Es necesario aclarar que, existe un conipromiso para el diseño de la bobina de interconexión LF. Tal compromiso estriba en que para mantener el patrón de coiiniutación, es necesario que el di/dt del inversor sea mayor al de la señal de se/ poini en todo el ciclo de línea. Considerando que el peor caso es cuando se tienen los valores pico de la tensión (VCA), puesto que la tensión en LF es mínima y si los armónicos compensados son de una CNL tipo fuente de tensión los valores de di/di presentarán sus valores más altos. Por ello, aunque se obtuvieron mejores resultados en la compensación reactiva (con CNL) con LI;= 9 mH, este valor está por debajo del límite inferior que garantiza la continua generación del patrón de conmutación; optando entonces por un valor de LF = 34 mH. Por las pruebas realizadas se tiene que este valor presentó resultados satisfactorios sin tomar medidas un tanto riesgosas 0

bien que al menos afecten el valor de THD ante impedancias altamente capacitivas.

En los resultados del desempeño de las funciones de FA del prototipo, se comprobó que la compensación de potencia de distorsión D fue más eficiente en CNL tipo fuente de corriente, y no así para el tipo fuente de tensión. Es decir, en los análisis de resultados se presentó que de los dos tipos de CNL citados, en el primero se anularon completamente las componentes armónicas, mientras en el otro tipo no fue así, dichas componentes solamente

95

CENIDET Capítiilo VI. Coricliisiories

se redujeron en magnitud (teniéndose valores de THD bastante convincentes). Este comportamiento se debe a la configuración de FA paralelo que tiene el prototipo, así como a la imoedancia aue tiene cada tipo de CNL intercoiiectada. En el capitulo 11, se presentó que el FA p&lelo es hna fuente de corriente controlada. Ahora, el primer tiPo de CNL se coliiPorta como una fuente de corriente cuya impedancia suele ser alta, y de esta manera con cierta cantidad de D, las armónicas son compensadas por el FA. Por otro lado, con el segundo tipo, se tiene el comportamiento de una fuente de tensión cuya impedancia interna es baja, 10 que genera que el FA entregue mayor D (por el consumo de esta impedancia) y además no sea suficiente para compensar completamente la contaminación armónica, restándole eficiencia a la compensación. Esto se puede comprobar en los análisis de resultados, donde la componente fundamental de la IC,, en el primer tipo de CNL reduce su magnitud al darse la compensación armónica; y para el tipo restante esta magnitud aumenta ligeramente. Desde luego que influye la capacidad de potencia reactiva que maneja el FA.

En la producción y pérdidas de la energía, se tiene que la capacidad de potencia para la que fue diseñado este prototipo es suficiente para uso residencial. La eficiencia del prototipo es aceptable y las pérdidas de energía (debida a la conmutación dura e inductancias parásitas) no representan problemas que interfieran con su propio funcionamiento. Además, el seguimiento del PMP garantiza el total aproveclianiiento de la capacidad FV que se disponga. Esto es importante puesto que los módulos FV cuentan con un cierto periodo de vida, que aunque es largo (regularmente entre I O y 20 años) se pueden aprovechar al máximo; sobretodo cuando se habla en términos de eficiencia energética dada la eficiencia de una celda FV que en general oscila alrededor del 15%.

De acuerdo con lo existente en la literatura técnica, el campo de aplicaciones de los FA ha sido más abundante en sistemas trifásicos de alta potencia, que en baja o mediana potencia. Sin embargo, su desarrollo en la industria se ha visto obstruido por su costo relativamente alto, debido principalmente a los dispositivos semiconductores de potencia y a la tecnología especializada que se requiere para aplicar técnicas óptimas de control. Con base en lo anterior, éste trabajo de investigación muestra claramente una posible oportunidad para incursionar la aplicación de los FA de baja capacidad en un campo poco explorado, y que atraería seguramente el interés de las compañías encargadas de la generación, transniisión y distribución de la energía eléctrica. Es decir, proveer de un FA a los esquemas de generación distribuida instalados en los sistemas de potencia (en baja iensión) de las compañías eléctricas, complementaria los ya explicados beneficios que ofrecen dichos esquemas; sólo que ahora se elevaría significativamente la calidad de la red eléctrica y en consecuencia la eficiencia energética.

Finalmente se puede expresar que es definitivo que para un futuro a corto plazo las fuentes de energía renovable tendrán mayor aplicación, puesto que mejoran la calidad de vida y el uso de la energía, evitando la posibilidad de crisis energéticas y garantizando un sustentable desarrollo tecnológico. Por lo tanto, es claro que el papel de la electrónica de potencia será imprescindible, sobretodo en un pais como México, que además de la riqueza en energéticos de origen fósil, cuenta con un potencial muy importante de recursos energéticos renovables.

96

CENIDET Capítulo VI. Conclrrsiories

V1.3 Trabajos futuros

Para mejorar el presente diseño, se propone adicionar un lazo de control para regular la tensión en el bus de CD. El objetivo es que el diseño pueda ser interconectado en cualquier PCC, sin que un cambio significativo de carga produzca una posible sobretensión que ocasione serios daños al inversor. Es decir, los usuarios tienen diferentes patrones de consumo y pueden usar aún CNL que pueden consumir considerable potencia, de manera que al ser desconectadas de la red eléctrica generen una sobretensión en el bus de CD.

Se puede aprovechar la versatilidad que tiene el microcontrolador de la etapa del PMP, puesto que no se explota al máximo. Una posible aplicación que se puede añadir es precisamente la del lazo de tensión.

En 10s resultados experimentales se observó que la eficiencia se afecta por las pérdidas en los interruptores de potencia, debido a la conmutación dura. En el diseño se utilizó la modulación PWM por histéresis de dos niveles, y para reducir dichas pérdidas, se utilizaron circuitos snubbers, obteniendo un valor adecuado de eficiencia. Sin embargo, se propone que una solución más elaborada, sería el iinplementar la modulación por histéresis, pero de tres niveles; ya que esta modulación permite que las pérdidas de energía por conmutación sean más acentuadas en dos de los interruptores de potencia (del puente completo) y no en los cuatro. Esto aumentaría notablemente la eficiencia del diseño y el tiempo útil de los dispositivos semiconductores.

Otra consideración importante para mejorar la eficiencia del sistema, es compactar el diseño del inversor a manera de simplificar al máximo las conexiones eléctricas, en las cuales se presentan, tanto pérdidas por conducción como por inipedancias parásitas.

Un elemento más que esta directamente relacionado con la eficiencia del prototipo, es el inductor de interconexión; para el cual se propone mejorar su diseño a manera de reducir las pérdidas por conducción, Esto podría ser empleando un núcleo distinto a aire con la finalidad de disminuir el devanado; siempre y cuando se evite la saturación.

Debido a los buenos resultados obtenidos, se concluye que el esquema de detección de corrientes reactiva y armónicas empleado para las funciones de filtrado activo del prototipo, se puede extrapolar a aplicaciones con FA trifásicos de potencia; proveyelido considerables ventajas.

En el campo de los SFV interconectados a la red, prácticamente el inversor es el elemento principal y suele operar la mitad del día, En este caso, la operación del inversor se prolonga al día completo, por las funciones de FA. Sin embargo, otra utilidad que se puede tener al aprovechar la capacidad de potencia instalada durante la noche, puede ser como balastro electrónico en la red de alumbrado público.

97

Capíiulo VI. Conclusiones CENIDE T

98

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104

LISTA DE S~MBOLOS Y ABREVIATURAS

Q AI AMP OP CA CD CDCRA CEI CFE CL CNL CRA CHV D di dt EF ESW(off) ESW(on)

Fo FP fsw FV HP I1 Iac ICP IEEE IGBT IIE Io I P IREF

IZL Kw Kw/h MOSFET NOx PC PC

PCC

-

ISFV

PCA

Fase Rizo de corriente Amplificador operacional Corriente alterna Corriente directa Circuito de detección de corrientes reactiva y arinóiiicas Comisión Electrotécnica Internacional Comisión Federal de Electricidad Carga lineal Carga no lineal Corrientes reactiva y armónicas Cambio de Horario de Verano Ciclo de trabajo de la señal PWM

Razón de crecimiento de la corriente con respecto al tiempo

Espectro en frecuencia Energía de conmutación de apagado del IGBT por pulso a la corriente pico ICP Energía de conmutación de encendido del IGBT por pulso a la corriente pico ICP Frecuencia de salida Factor de potencia Frecuencia de conmutación Fotovoltaicola Caballos de fuerza (Horse Power) Corriente a la frecuencia de la fundamental Corriente alterna Corriente pico de salida Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos Transistor bipolar de compuerta aislada Instituto de Investigaciones Eléctricas Corriente de salida Corriente pico Corriente de referencia Corriente a la salida del SFV Corriente en la carga Kilowatts Kilowatts por hora Transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductor Cualquier óxido de Nitrógeno (¡.e. 2, dióxido; 3, trióxido) Computadora Personal Potencia activa demandada por la carga Potencia activa proporcionada por la red Punto de conexión común

-

CENIDET Lisia de símbolos y abreviaturas u PD

PMP Po PPV PQ PSS PSW PWM Qc QCA ROCS RODA ROJC ROJD RC KL sc SFIPA SFV TA Tc To THD TJD TJQ tm

PIN

SCA

tOFF tON Vac VCAMAX VCAPlCO VCD VCE(sat) VCO VFM

VIN VL VLMAX VLMIN

VHED

Z L

VFV

VPWM

vs.

Potencia disipada por cada diodo Potencia de entrada Punto de máxima potencia Potencia de salida Potencia activa proporcionada por el sistema fotovoltaico potencia disipada por cada lGBT Pérdidas por conducción Pérdidas por conmutación Modulación por ancho de puke Potencia reactiva demandada por la carga Potencia reactiva proporcionada por la red Resistencia térmica encapsulado-disipador del IGBT Resistencia térmica disipador-ambiente Resistencia térmica unión-encapsulado (IGBT) Resistencia térmica unión-encapsulado (diodo) Resistencia - Capacitor Resistencia - Inductor Potencia aparente demandada por la carga Potencia aparente proporcionada por la red Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa Sistema fotovoltaico Temperatura ambiente Temperatura en el encapsulado Temperatura en el disipador Distorsión armónica total Temperatura de unión en el diodo Temperatura de unión en el IGBT o temperatura de unión en el dispositivo Tiempo muerto Tiempo de apagado Tiempo de encendido Tensión alterna Tensión de red máxima Tensión de red pico Tensión de corriente directa

Oscilador controlado por voltaje Caída de tensión en sentido directo del diodo Tensión de las celdas fotovoltaicas Tensión de entrada Caída de tensión en las terminales de la bobina Caída de tensión máxima en las terminales de la bobina Calda de tensión mínima en las terminales de la bobina Tensión a la salida del inversor Tensión de red Versus Carga conectada al sistema

Tensión colector-emisor de saturación

106

LISTA DE FIGURAS Y TABLAS

Figura 1.1

Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4

Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7

Figura 11.1 Figura 11.2

Figura 11.3

Figura 11.4

Figura 111.1 Figura 111.2 Figura 111.3 Figura 111.4 Figura 111.5 Figura 111.6

Figura 111.7 Figura 111.8 Figura 111.9 Figura 111.10

Figura IV.1 Figura 1V.2 Figura IV.3

Figura IV.4 Figura 1V.5

Administración de la demanda a) Eficiencia energética b) Reducción de la demanda pico C) Proyección del consumo de energía eléctrica en México Esquema de la red de suministro eléctrico Red eléctrica alimentando diversas cargas Gráfica comparativa de un pico de demanda máximo entre un día de verano y uno de invierno Irradiancia solar de un día despejado en verano Esquema de generadores auxiliares FV conectados a red Configuración general del prototipo

Diagrama a bloques de un SFV interconectado a red Formación de islas en el esquema de generadores FV conectados a red (islanding) Funcionamiento del FAP paralelo a) Esquema general b) Formas de onda del sistema de alimentación y FAP Topologías más comunes de FAP a) VSI (inversor alimentado en tensión) b) CSI (inversor alimentado en corriente)

Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA) Concepto de la cancelación de ruido adaptable Diagrama a bloques del CDCRA Diagrama de Bode de la ec.(lII.l8) Diagrama de Bode de la ec.(III.19) Diagrama a bloques del sistema de cogeneracióii con funciones de filtro activo integradas Diagrama del circuito de sincronización con !a línea Acondicionamiento de la señal de referencia Controlador de corriente por histéresis Obtención de las señales de control para los interruptores de poteiicia

Diagrama fasorial del prototipo, periodo de insolación Diagrama fasorial del prototipo, periodo de oscuridad a) Gráfica característica del módulo FV sp75 (y sp70) ante variaciones de irradiancia b) El módulo FV (cortesía de Siemens) Etapa de potencia y circuitos impulsores en el inversor Modelo térmico de la etapa de potencia

CENIDET Lista de Figuras y Tablas P

Figura IV.6

Figura IV.7

Figura 1V.8 Figura IV.9

Figura IV.10 Figura 1V.11

Figura IV.12

Figura V.1

Figura V.2

Figura V.3

Figura V.4 Figura V.5

Figura V.6

Figura V.7

Figura V.8 Figura V.9 Figura V.10

Figura V.11

Figura V.12

Figura V.13

Figura V.14

Figura V.15

Figura V.16

Figura V.17

Consideración del tiempo muerto en las señales de control

variación de ]as señales de control al incluir el tiempo Inuerto. a) Salida del control. b) Salida del circuito de tiempo muerto. Análisis del efecto del tiempo muerto en la tensión de salida V'O. Condición 1vPWM( > lvcAl para la circulaciÓn de corriente en el sentido que se muestra. Bobina de interconexión a la red . Gráfica de la derivada de la corriente en la CNL (arriba); corriente de ia CNL(abaj0). Tensión máxima y mínima en LF

Flujo de corrientes en la interconexión del SFV con la red eléctrica Y la carga (ZL). Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 34 mH). Formas de onda de tensión y corriente del inversor, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 34 iiiH).

Instante en el que se compensa corriente reactiva, con Li: = 9 inH. Formas de onda de tensión y corriente del inversor, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 9 mH). Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 34 mH). Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; instante cuando se deja de compensar corriente reactiva. LF = 9 niH. EF de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 34 mH). EF de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 9 mH). Espectro en frecuencia de la I ~ F V que compensa potencia reactiva (LF = 34 mH). Espectro en frecuencia de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 9 mH). Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva. Caso RLl Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; instante cuando se compensa corriente reactiva. Caso RL2 EF de la ICA con ZL tipo fuente de corriente (RL2); sin compensar potencia reactiva. THD = 36.61 %. EF de la ICA con ZL tipo fuente de corriente (RL2); compensando potencia reactiva (LF = 9 mH). THD = 37.10 %. Instante en que se deja de compensar potencia reactiva ; siendo ZL lineal, RC paralelo. EF de la ICA con ZL tipo lineal, RC paralelo; compensando potencia reactiva (LF = 34 mH). THD = 6.05 %.

~

108

CENIDET Lkia de Figuras y Tablas

Figura V.18

Figura V.19

Figura V.20 Figura V.21 Figura V.22

Figura V.23

Figura V.24

Figura V.25

Figura V.26

Figura V.27

Figura V.28

Figura V.29

Figura V.30

Figura V.31

Figura A.l

Figura B.l

Figura C.l

Figura D.l Figura D.2 Figura D.3 Figura D.4 Figura D.5

Figura D.6

Figura D.7

Tabla 1.1 Tabla 1.2 Tabla 1.3

Instante en que se deja de compensar potencia reactiva; siendo ZL h e a l , un motor de esmeril. EF de la ICA con ZL tipo lineal, R i serie; compensando potencia reactiva (LF = 34 mH). THD = 4.33 %. PrototiPo inyectando potencia activa con zL, PrototiPo inyectando potencia activa a la red eléctrica, Formas de onda de la tensión y corriente en la linea (arriba); corrieiite en ZL (centro) y el setpoii7f (abajo). Corriente de salida del prototipo y tensión en la linea (arriba); corriente en ZL (centro) y set point (abajo). Formas de onda del set point (arriba); tensión y corriente en la línea (centro) y corriente en ZL (abajo). Formas de onda del setpoint (arriba); tensión en la línea y corriente del inversor (centro) y corriente en ZL (abajo). EF de la ICA con fuente de alimentación de CD ( V C ~ = 2SV/ IC0 = 27, sin compensar potencia reactiva. THDA = 110.20 %. EF de la ICA con fuente de alimentación de CD; compensando potencia reactiva (LF = 34 mH). THD = 16 %. Respuesta del prototipo, ante el cambio de carga, durante la compensación de P y Q. Respuesta del SFV durante la transferencia de potencia activa al conjunto red eléctrica - usuario. Respuesta del SFV durante la transferencia de potencia activa y reactiva al conjunto red eléctrica - usuario; así como el comportamiento del FP (antes y después de la compensacióii). Producción y pérdidas de potencia eléctrica a potencia FV pico.

Patrones de consumo mensual de energía durante eiaño.

Principales perturbaciones eléctricas que tiene lugar en la red.

Opciones para filtros de corrientes armónicas en sistemas eléctricos.

Diagrama esquemático utilizado para la simulación del CDCRA. Señales para simular Vi, Sefial de corriente eti la carga lineal et1 la S¡mUhCiÓn. Señales de entrada y salida del integrador en ia simulación. Señal de salida del integrador en la simulación (nivel de offsef=-1.51875V). Señal de salida del integrador en el laboratorio (nivel de offset = -1.684V). Señales de entrada y salida al sumador 1 Simuiación.

Clasificación de las perturbaciones en la red eléctrica. Resumes de rangos de operación de inversores según su tipo. Resumen de ventajas y desventajas de inversores según su tipo.

109

CENIDET Lisia de Figuras y Tablas

Tabla IV.1

Tabla V.1

Tabla V.2

Tabla V.3

Tabla A. l

Tabla A.2 Tabla A.3 Tabla A.4 Tabla A.5

Diagrama E.l

Diagrama E.2 Diagrama E.3 Diagrama E.4

Diagrama E S

Diagrama E.6

Especificaciones del módulo CM75DY-12H.

Características generales del sistema de cogeneration con funciones de FA.

Resultados del contenido armónico para las pruebas Con una CNL del fuente de tensión. Resultados del contenido armónico para las pruebas con una CNL del tipo fuente corriente.

Tarifas en el sector doméstico: rangos de consumo vs condiciones climatológicas. Cuotas aplicables en el mes de julio de 2001 por energía consumida. Cuotas aplicables en el mes de diciembre de 2001 por energía consumida. Consumo de una habitación típica. Consumos de una CNL típica.

Etapa de acondicionamiento de la señal de frecuencia sinusoidal y de detección del cruce por cero. Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas. Etapa del setpoint y de la modulación por histéresis. Diagrama esquemático de la etapa de seguimiento del PMP; control de la inyección de potencia activa. Diagrama esquemático del circuito de protecciones eléctricas contra sobrecorriente e Islanding. Etapa de control digital: circuito de tiempo muerto, protecciones y señales de conmutación.

110

APÉNDICE A

Tariyas en el Sector Residencial Las tarifas son las disposiciones que contienen las cuotas y/o condiciones que

determinado usuario debe pagar por su consumo de energía eléctrica. Existen dos tipos: tarifas generales y tarifas específicas.

Tarifas gerrerales: Son las que se aplican a cualquier tipo de servicio como son: servicio general de 25 kW o más, servicio temporal, servicio de media tensión y servicio para alta tensión.

Tarifas especijicas: Este tipo de tarifas son las que se aplican a los suministros de energía que las mismas señalen, por ejemplo; servicio de alumbrado público, servicio de bombeo de agua potable, servicio de bombeo agrícola. Es en este mismo tipo de tarifas en donde entran los servicios residenciales o domésticos que a su vez también se subdividen en tarifas diferentes.

El consumo de energía eléctrica por parte de los usuarios no es constante a lo largo del día, debido a que presenta variaciones considerables originadas por: el clima, la localización geográfica, el equipamiento en las residencias, las costumbres, los hábitos y la estructura familiar.

En México, la CFE hace una clasificación de los usuarios residenciales en tarifas, para el cobro de la energía eléctrica producida. Dicha clasificación se hace con base en dos puntos importantes: rangos de consiirno y condiciones clirnaloiógicas. En la tabla A.1, se tienen las tarifas mencionadas, los rangos de consumo del usuario y la temperatura mínima de cada región comprendida por la tarifa correspondiente. Las condiciones climáticas relacionan los costos y los rangos de consumo de acuerdo a la temperatura ambiente durante el periodo de verano que corresponde a los seis meses consecutivos más calurosos del año (mayo a octubre). En la figura A.1 se tienen los patrones de consumo mensual de energía durante el año, para cada tarifa de la tabla A.1. La /a?$¿ IE, es precisamente la de mayor consumo, no así la tarifa 1, que es la del menor consumo energético; todas las tarifas se ven incrementadas considerablemente durante el verano.

CENIDET Apéndice A. Tarifas en el Sector Eléctrico

niperntiirn inininin V'C)

Consumas rnenwales durante un año

í K W

f 1 D *1c 3000 -,E

- i n ni^ + I 2500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... ~, ......

...........

I E F M A M J J A C O N O

Mes

Figura A.I.- Pairones de consu~no mensual de energía duranle el año

En las localidades del Norte de México, que son las que cuentan con clima extremoso, la utilización de equipos de acondicionamiento del ambiente es muy importante para tener cierta comodidad en el hogar. Los datos de la tabla A.l muestran que los usuarios contemplados en las tarifas I A hasta la I E son los que requieren de equipos de acondicionamiento de medio ambiente, en comparación con los de la /argfu I , donde no son necesarios. En [16] se concluye que el sector doméstico nacional dedica el 20% de la energía eléctrica para acondicionamiento del medio ambiente; un valor considerablemente importante, puesto que esta ligado a los picos máximos de demanda. En seguida se tiene un ejemplo comparativo del consumo de un usuario en un mes de verano contra uno de invierno; para la tarifa IE, correspondiente a la región Noroeste del país.

112

CENIDET- Apéiidice A. Torifns en el Secíor Eléctrico

Consumo intermedio bajo Consumo intermedio alto

Consumo excedente

Tarifa 1E: Comparación entre verano e invierno Esta tarifa corresponde a la Región Baja California, la cual comprende todos los

usuarios de los municipios del estado de Baja California y San Luis Rio Colorado, municipio del estado de Sonora. Es decir, en estas localidades se tiene una temperatura media minima en verano de 32 “C. Esta tarifa se aplica a uso exclusivamente doméstico, cualquiera que sea la carga conectada individualmente a cada vivienda. Estos servicios sólo se suministran en baja tensión y no debe aplicarse en ninguna otra de uso general. El periodo de verano para esta tarifa comprende de mayo a octubre. En esta región, se tiene prácticamente dos criterios para la aplicación del cobro correspondiente, uno es para el verano y otro para el resto del año, donde los costos corresponden a los de la larfa 1.

Para fines comparativos, en este ejemplo se ha escogido la facturación mensual de julio (verano) y de diciembre (invierno); en las tablas A.2 y A.3 respectivameiite.

Tabla A.2.- Cuotas aplico6les eii el mes de julio de 2001 por energía co~isunirda Tipo de coiisuifio I $/kW-h I Eiiergía corisirrnida (k W-11) 1

$ 0.418 301 a 1200

$0.984 12001 a 2500

$ 1.557 2501 en adelante

I Consumo bssico 1 $0.322 l o a 3 0 0 I

Consumo intermedio $ 0.552 76 a 200

Consumo excedente $ 1.612 200 en adelante

113

CENIDE T Ap&dice A. Tarifas eri el Sector Eléctrico

su pago por el servicio. De esta manera, es notorio que la COllVfiía s u ~ ~ h i s t r a d o r a de electricidad, se ve afectada con Ins larvas subsidindas que SOlt I l I tR carga e c o l ~ h t i c n Y por si fuera poco tiene que eiifreittar osp picos de dernartdn niáxirttn, debidos precisamente en Su

mayoría al uso simultaneo de estos equipos.

Para el segundo punto, se analizará la situación en que un usuario tiene un consumo tal, que supera ya sea el consumo básico o el intermedio. Cuando se supera el consumo básico, no hay tanto problema (para ambos meses comparados), puesto que solo se incrementa entre un 20 y un 30% el costo del kW-h; o lo que es lo inisnio $ 0.10. Aliora, se analiza cuando se supera el consumo intermedio. Si es en invierno, se tiene que el kW-h incrementó 3.5 veces más que su costo en el consumo básico. Para el verano, el costo se eleva a 3 veces más si se excede el intermedio bajo ó hasta 5 veces más, si es el intermedio alto, el excedido. Es indudable que en el verano los consumos intermedios se excederán, puesto que los equipos de aire acondicionado consunien energía considerablemente y se utilizan durante cierto número de horas.

Consumo Típico de un usuario en invierno, durante la noche Finalmente se presenta la tabla A.4, que contiene las lecturas tomadas con el

analizador de demanda [74] alrededor de las 22:OO Ius. y que corresponde a una casa habitación con un televisor, una PC con accesorios básicos, un refrigerador, 4 lámparas fluorescentes de 15 W y 4 lámparas incandescentes de IO0 W. Se tomaron lecturas secundarias apagando intencionalmeiite algunos equipos a manera de caracterizar el comportamiento del FP y la THDI de la vivienda. Se obtuvo que al apagar las lámparas incandescentes y el refrigerador, la THDl aumentó a 42.2 % y el FP fue de 90.2%. AI encender el refrigerador el FP cae al 87 %.

Tabla A.4.- Consumo de una casa habitación típica.

Variable 1 Slnibolo 1 Lecfiira I Uriidad 1

I Potencia reactiva I O + D 10.367 I kVars I

Tabla A.5.- Consuii7os de una CNL típica. Variable Siiirbolo PC 1 Moiiitor I Uriidnd

Potencia reactiva E, + D 0.1 15 0.032 kVars * El algoritmo de medición del equipo, no considera el factor de distorsión. Estos valores son calculados.

.

En las tablas A S se presentan lecturas del consumo de potencia para una PC (sin accesorios) y para un monitor de PC diferente (marca hP de 17”). Las mediciones se realizaron en el laboratorio, con el analizador de demanda citado [74]. Esto con la finalidad de ofrecer una referencia de la distorsión armónica que generan este tipo de CNL ampliamente utilizadas y cuya proliferación aumenta. El equipo de medición utilizado no contempla en su algoritmo para calcular el FP, el factor de distorsión por lo que los valores presentados en la tabla A S fueron calculados a través de las formas de onda digitalizadas, obtenidas en un osciloscopio.

114

AP~NDICE B

Formas de Onda de Perturbacioi7es eM la Red Eléctrica

Se presentan eii la figura B.l, las formas de onda de las principales perturbaciones eléctricas que tienen lugar en la red eléctrica [14].

hnaci6n Faipadeo i;lpida (nick?¡) Mnaci6n lenta 300 t

200

100

O

-100

-200 I O 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 -300 I

Figuro B. 1.- Principales per(rrrbacioire.s eléctricas que iieiteir liigar ei? la red eléctrica.

APÉNDICE c

Filti”os de Corrientes Arinónicas en Sistemas Eléctricos Se presenta un esquema a bloques de las diferentes (figura C.1) opciones para filtros

de corrientes armónicas en sistemas eléctricos más enipleados en la actualidad [is].

Filtros de Corrientes Armónicas

Filtros Activos Filtros Pasivos

Configuraciones Hibridas

p q

Topologias Pasivo Paralelo Universales en serie con

Figura C1.- Opcionesporajiltros de corrienres arnzóizicas en sisienlas eléctricos

APÉNDICE D

Resultados en Sinzulacióii del CDCRA La simulación del CDCRA se llevó acabo en el paquete de simulación PSpice 8.0

(versión de evaluación). El diagrama esquemático utilizado en la simulación, es el de la figura.D.l. En él se tiene el esquema del filtro basado en el método de detección adaptable, presentado por [37] y descrito en el capítulo 111. Los circuitos con funciones especiales tales como los multiplicadores y el circuito integrador fueron simulados con elementos ideales tomados directamente de la librería de PSpice. El diagrama esquemático, tiene añadidos un restador y una resistencia (Rz), con la finalidad de comprobar que en la salida del sumador se tiene precisamente la señal esperada: la señal no activa (corrientes reactiva y armónicas). Es decir, se resta de la señal de entrada (corriente en la carga), la señal no activa; esperando tener en el resultado una señal con características similares a la señal activa; tomada como referencia (VREF).

316

CENIDET Apértdicice D. Resulindos de siinulnciÓiz del C D C m

El diagrama esquemático de la figura D. 1 está constituido por:

5 fuentes de tensión de AC: 2 inultiplicadores ideales 1 punto suma y i restador ideales. 1 integrador ideal coil G = 3 16 2 atenuadores 2 interruptores ideales. 2 resistencias de carga

V I = 1.5, a O" / 60Hz Vi = 1 .O, a - 90" / 6011~ V3 = O. 1, a 0' / 900Hz V4 = 0.4, a O" I 1240Hz

VRE1: = 2.0, a O" / 6OHz

Se utilizaron 5 fuentes de tensión para representar las diferentes señales a procesar por el circuito de detección adaptivo. De V I a V4 simula la tensión proporcioiial a ia corriente en la carga (ZL), es decir la entrada al CDCRA (VJ. Vi representa tensión proporcional a la corriente activa (representando a la corriente en fase con la tensión), V2 representa la tensión proporcional a la corriente reactiva (tipo inductiva), V3 es la tensión proporcional a un 1 5 O armónico de corriente, Vq representa un ruido de alta frecuencia y finalmente VREF es la señal de tensión utilizada como entrada de referencia al control. Se tienen un par de interruptores complementarios para analizar el desempeño del control ante dos fuentes de ruido distintas (V3 y V4), así como también considerar su dinámica de respuesta.

La salida del CDCRA (VJ, está a la salida del suinador y es la señal correspondiente a la corriente no activa, compuesta por las corrientes reactiva (iq) y armónicas (ih).

La razón por la que se utilizaron elementos ideales para la simulación son varias. Las más relevantes son: optimización del tiempo de simulación, evitar errores de convergencia, evitar el exceso de nodos en el esquemático (ai realizar el punto suma o el restador con opamps), simplificar las conexiones, etc. Además, una vez seleccionado el tipo de multiplicador analógico a utilizar (AD633JN de AD, Analog Devices), se implementó el modelo del fabricante en PSpice, pero solamente se podía utilizar un solo modelo en la simulación, por lo que no se consideró relevante la diferencia entre usar el modelo del fabricante o uno ideal.

A continuación se presenta un listado de las señales más representativas obtenidas en la simulación del CDCRA. En algunos casos se mostrarán los resultados obtenidos en el laboratorio con la finalidad de validar la simulación.

Listado de las señales:

Señal de entrada al CDCRA Señales de entrada y salida del integrador Señal de salida del CDCRA

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CENIDET Apéizdice D. Resrrlior1o.s [le siiiiiilocióit del CDCRA

Señal de entrada al CDCRA

. . : ....................................................................................... ir*hXOlh

>.u ........................................................................................

Figuro 0.2.- Señales para siiiiular 1:. Figrrra 0.3.- Señal de corrienle en la carga lineal en la similación

En la figura D.2, se muestran las señales que componen la señal de entrada al CDCRA (Vi) que simula la corriente de una carga lineal (ZL). En la parte de superior se tiene la señal de ruido y en la inferior, la señal reactiva y la fundamental, En la figura D.3 se tiene la señal que representa la corriente demandada por la carga; cuando existen armónicos (arriba) y cuando no los hay (aba.io). En ambos casos se tiene un desplazamiento inductivo.

Señales de entrada y salida del integrador

200"U r...... ............................. 0.2u ..................................... !w; ; -0.w

-20Q"U L .................................... a).- Entrada al htegr-ador.

-1,5143: ;&hJ .l.k5UT .................................. ~ -1.ou ;212.673,,, , -1.4769

208.338m.-1 5606 .,.60U+ .................r................, .2.O"+ .....................................

210m 220"s os soon c).. Entrada y salida del htegrsdor (reRal9OOHz )

zoom b).. Salida delhtegrador.

Figura 0.4.- Sehales de enrrada y salida del inregrador en la simulación.

En la figura D.4 se tienen las señales de entrada y salida en la simulación para el integrador con una ganancia de 316. En el inciso b) se tiene en la salida una seiíai senoidal con un offset de -1.5 1875V. Se tiene también el comportamiento del integrador

119

Apéndice D. Resuliados de simulación del CDCRA CENIDET

en el estado transitorio de encendido en el inciso c), En la figura D.5 se tiene una escala más amplia para poder percibir la forma de onda senoidal que esta sobrepuesta en el nivel de offset, en la simulación. Por otro lado, en la figura D.6 se tiene la señal de salida del integrador del CDCRA tomada con un osciloscopio; el nivel de offset medido fue de - 1.684V. En esta figura se tiene que la señal senoidal que está sobre el nivel de DC tiene una frecuencia de 120H2, producto de la multiplicación.

.,, .............................................................. .........................

.i.rii; ................. _r ........... ~~ .......................... ~ .......................... i I,* I*.< <,>s 1,111 88%

tawd.diln<i.ilirpili4,m',

Figura 0.5.- Señal de salida del integrador en la simulación (nivel de offset = -1.iI87SvJ.

I I I

Figura 0 .6 . - Señal de salida del inregrador. rn el laboraiorio (nivel de offset = -11684vJ.

Señal de salida del CDCRA

-~-----.----.------ 1---------

450ns 4601115 48010s 500má 520105 5 4 0 ~ 55310:

Figura D. 7.- Señales de entrada y salida al Sumador 1. Simulación.

En la simulación se tuvieron las señales que se muestran en la figura D.7. Estas son las señales de entrada al sumador y su respectiva señal de salida V,. Las señales de entrada son: la señal de retroalimentación ( 1 ) y la señal V, (2). La señal V, es la señal de salida del CDCRA que corresponde a la señal no activa (i,, + ih) de la corriente demandada por la carga lineal (ZL). Además, se presenta también el caso para cada una de las dos señales de alta frecuencia (V, y V.,).

120

APÉNDICE E

Diugi*anius Electróriicos

is

Sensor

I carga

* 1 N

I 1 im I<

1 4

Diagrama E.2.- Circuito de Detección de Corrientes Reactiva y Armónicas.

i 5v J3.1 173) n

R53 R52 330

MONITOR 6 l8DK 22K

16 4 (731 DE 3 LINEA

U15

C34 470pF 5

+ 15V J32(T3)

2 , U17

LM 311 J6 5 U16 10K

3 -

-

-0 10K

J5 6

Dingramn E.5.- Diagrama esquemático del circuito de protecciones eléctricas contra sobrecorriente e islanding.

DGIT\.

~~

1 Apéndice E. Dingranins Elecirdnicos CENIDET

128