nombre: daniel ruiz vega sepi-esime-zacatenco, ipn

Desarrollo de un simulador

experimental de sistemasde potencia para estudiar

el efecto de nuevas plantas solares

Nombre: Daniel Ruiz VegaSEPI-ESIME-Zacatenco, IPN

Sede Regional: Centro, Instituto Politécnico Nacional

Fecha: 22 de octubre de 2014

1

MotivaciónSe está llevando a cabo la interconexión a los sistemas eléctricos de potencia de México de plantas de generación solares.

Los estudios de interconexión de estas plantas son muy importantes y requeridos, debido a que se están instalando plantas solares grandes en el sistema de potencia de alta tensión, y se permite actualmente la instalación de plantas solares pequeñas en instalaciones comerciales y residenciales.

2

Motivación

Simuladores

De computadora Físicos

Digital Analógica Escalados No escalados Especiales

Para el diseño y la operación de los sistemas de potencia se emplean principalmente simuladores de computadora digital, aunque en la docencia y la investigación se emplean de manera complementaria muchos tipos de simuladores.

En los programas de posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-ESIME-Zacatenco se han desarrollado o adquirido todos los tipos de simuladores de sistemas de potencia.

3

Motivación

• Desarrollar y validar modelos de las nuevas plantas para ser empleados en los programas que se utilizan para evaluar su efecto en el diseño y la operación de los sistemas eléctricos de transmisión y distribución.

• Servir como un sistema de referencia para probar prototipos de nuevos sistemas de control, monitoreo, inversores electrónicos, almacenamiento de energía y otros, requeridos actualmente para mejorar la operación de los sistemas eléctricos.

El análisis del funcionamiento de este tipo de plantas requiere la implementación de laboratorios experimentales, como se han establecido en otras partes del mundo, con el objeto de:

4

Motivación• Al tener el sistema experimental, se puede realizar

investigación para mejorar o crear pruebas con el objeto de determinar los parámetros de los componentes de la planta solar, o monitorear la condición de la planta.

• El proyecto es multidisciplinario y abarca sobre todo áreas de investigación en los campos de las ingenierías electrónica, eléctrica, de telecomunicaciones, de control y de computación.

• Además de ser muy útil en la investigación, un laboratorio de este tipo puede ser empleado para la docencia a nivel licenciatura y posgrado en cursos y prácticas que además de enseñar los conceptos básicos de una planta solar, verifiquen su correcto funcionamiento.

5

Planta solar• El proyecto requiere la instalación de un sistema solar

fotovoltaico de 2250 W de potencia, interconectado a la red con respaldo de baterías.

Estructura general del sistema6

Planta solar• Es un proyecto multidisciplinario del IPN aprobado en 2013

7

Planta solar• Lugar de instalación de la planta

Laboratorios Pesados II de ESIME-Zacatenco 8

Ubicación del sistema solar fotovoltaico

Sala donde se ubicarán los tableros

Infraestructura disponibleActualmente se cuenta en los Programas de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-ESIME-Zacatenco con dos simuladores experimentales con características muy importantes para realizar investigación en sistemas de potencia.

• El simulador experimental de sistemas de potencia, el cual tiene 4 áreas de control.

• El simulador Opal-RT de tiempo real con 12 núcleos.

9

a) Generador síncrono de 5 kVA

Figura: Máquinas síncronas del

simulador

c) Generador síncrono de 9 kVA

e) Máquina generalizada Mawdsley

b) Micromáquinas síncronas de 4.5 kVA

d) Máquina generalizada AEI

Simulador experimental de sistemas de potencia

10

• 33 reactores monofásicos de diferentes impedancias para modelar líneas de transmisión.

• 23 módulos trifásicos para representar cargas estáticas capacitivas, inductivas y resistivas.

• 26 capacitores para modelar el efecto capacitivo de líneas de transmisión.• 4 transformadores y tres reactores trifásicos

Cuenta con los siguientes equipos para la red de transmisión y cargas:

• 2 controles de excitación Basler 200 para las micromáquinas síncronas.• 2 controles de excitación Basler 125-15 para la máquina educacional y el

generador de 9 kVA.• 3 controles de velocidad, dos ABB 400DCS y un control Reliance electric.• 1 medidor de ángulo de carga de máquinas síncronas diseñado y construido

por el grupo.

Cuenta con los siguientes equipos de control de los generadores:


11


12


5

1

3

2

Red del SEP VFT

M. Síncrona Educacional con controles

Micromáquina de polos lisos

con controles

Micromáquina de polos salientes con controles

Planta Solar con Baterías

4

Bus infinito(CFE)

6

13


14

a) Modelo del lazo de control de voltaje de la micromáquina de polos salientes

b) Comparación de los resultados de la prueba de escalón del control

d) Medición transitoria del ángulo de ante aumentos de carga

c) Respuesta del control de velocidad de la micromáquina de polos salientes ante un aumento de carga

Aplicaciones: Validación de modelos

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

200

210

220

230

240

250

260

Tiempo [s]

Vol

taje

[V

]

Valor experimental

Valor teórico

Valor experimental filtrado

0.005KG

PK

s

K I

D

D

sT

sK

1

PRLMT VV /

PRLMT VV /

AsT1

1

0

RLMTV

'11

dosT

RsT1

1 1C T C C TV V R jX I 1CV

CV

REFV

SV

TI

RV TV

PV

Generador

Basler DECS 200

TV

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

10

20

30

40

50

60

70

Tiempo [ms]

Áng

ulo

de c

arga

[

°]

Simulador de tiempo real

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• Es una herramienta de investigación que permitirá consolidar las líneas de investigación de los profesores nuevos en las áreas de protección de SEP, estabilidad, máquinas eléctricas, transitorios electromagnéticos, alta tensión y electrónica de potencia.

• Adicionalmente, este equipo será empleado para ampliar los convenios de colaboración con la industria y otras instituciones académicas, nacionales y extranjeras.

• Es un simulador con 8 núcleos que puede simular sistemas de potencia de hasta 86 nodos y que puede probar equipos en lazo cerrado.

Este equipo complementa y mejora de manera importante la infraestructura experimental de laboratorios de investigación de los programas de posgrado en ingeniería eléctrica


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Conexión del relevador para la prueba de lazo cerrado.

Sistema de prueba del relevador comercial

8

110 km 110 kmG3

G4

311

9

10

4L9

25 km10 km

Area 2

C9

G1

G2

1 5

7

6

2L1

25 km 10 km

Area 1

C1

BRK1

R F1 F2

Respuesta del relevador Relevador Comercial

Voltajes & Corrientes en tiempo real de RTDS

Simulador Digital en Tiempo Real

Cabinet (Front view)

--Power Bar

RT-LAB

RT-LAB

RT-LAB

MODULE #1

ACTIVITYCH1

TP1

CH 1

ACTIVITYCH2

TP2

CH 2

ACTIVITYCH11

TP11

CH 11

ACTIVITYCH3

TP3

CH 3

ACTIVITYCH4

TP4

CH 4

ACTIVITYCH5

TP5

CH 5

ACTIVITYCH6

TP6

CH 6

ACTIVITYCH7

TP7

CH 7

ACTIVITYCH14

TP14

CH 14

ACTIVITYCH13

TP13

CH 13

ACTIVITYCH12

TP12

CH 12

ACTIVITYCH10

TP10

CH 10

ACTIVITYCH9

TP9

CH 9

ACTIVITYCH8

TP8

CH 8

ACTIVITYCH0

TP0

CH 0

ACTIVITYCH15

TP15

CH 15

MODULE #2

ACTIVITYCH1

TP1

CH 1

ACTIVITYCH2

TP2

CH 2

ACTIVITYCH11

TP11

CH 11

ACTIVITYCH3

TP3

CH 3

ACTIVITYCH4

TP4

CH 4

ACTIVITYCH5

TP5

CH 5

ACTIVITYCH6

TP6

CH 6

ACTIVITYCH7

TP7

CH 7

ACTIVITYCH14

TP14

CH 14

ACTIVITYCH13

TP13

CH 13

ACTIVITYCH12

TP12

CH 12

ACTIVITYCH10

TP10

CH 10

ACTIVITYCH9

TP9

CH 9

ACTIVITYCH8

TP8

CH 8

ACTIVITYCH0

TP0

CH 0

ACTIVITYCH15

TP15

CH 15

MODULE #3

ACTIVITYCH1

TP1

CH 1

ACTIVITYCH2

TP2

CH 2

ACTIVITYCH11

TP11

CH 11

ACTIVITYCH3

TP3

CH 3

ACTIVITYCH4

TP4

CH 4

ACTIVITYCH5

TP5

CH 5

ACTIVITYCH6

TP6

CH 6

ACTIVITYCH7

TP7

CH 7

ACTIVITYCH14

TP14

CH 14

ACTIVITYCH13

TP13

CH 13

ACTIVITYCH12

TP12

CH 12

ACTIVITYCH10

TP10

CH 10

ACTIVITYCH9

TP9

CH 9

ACTIVITYCH8

TP8

CH 8

ACTIVITYCH0

TP0

CH 0

ACTIVITYCH15

TP15

CH 15

-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+

-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+

Power distribution unit

MODULE #1

ACTIVITYCH1

TP1

CH 1

ACTIVITYCH2

TP2

CH 2

ACTIVITYCH11

TP11

CH 11

ACTIVITYCH3

TP3

CH 3

ACTIVITYCH4

TP4

CH 4

ACTIVITYCH5

TP5

CH 5

ACTIVITYCH6

TP6

CH 6

ACTIVITYCH7

TP7

CH 7

ACTIVITYCH14

TP14

CH 14

ACTIVITYCH13

TP13

CH 13

ACTIVITYCH12

TP12

CH 12

ACTIVITYCH10

TP10

CH 10

ACTIVITYCH9

TP9

CH 9

ACTIVITYCH8

TP8

CH 8

ACTIVITYCH0

TP0

CH 0

ACTIVITYCH15

TP15

CH 15

MODULE #2

ACTIVITYCH1

TP1

CH 1

ACTIVITYCH2

TP2

CH 2

ACTIVITYCH11

TP11

CH 11

ACTIVITYCH3

TP3

CH 3

ACTIVITYCH4

TP4

CH 4

ACTIVITYCH5

TP5

CH 5

ACTIVITYCH6

TP6

CH 6

ACTIVITYCH7

TP7

CH 7

ACTIVITYCH14

TP14

CH 14

ACTIVITYCH13

TP13

CH 13

ACTIVITYCH12

TP12

CH 12

ACTIVITYCH10

TP10

CH 10

ACTIVITYCH9

TP9

CH 9

ACTIVITYCH8

TP8

CH 8

ACTIVITYCH0

TP0

CH 0

ACTIVITYCH15

TP15

CH 15

MODULE #3

ACTIVITYCH1

TP1

CH 1

ACTIVITYCH2

TP2

CH 2

ACTIVITYCH11

TP11

CH 11

ACTIVITYCH3

TP3

CH 3

ACTIVITYCH4

TP4

CH 4

ACTIVITYCH5

TP5

CH 5

ACTIVITYCH6

TP6

CH 6

ACTIVITYCH7

TP7

CH 7

ACTIVITYCH14

TP14

CH 14

ACTIVITYCH13

TP13

CH 13

ACTIVITYCH12

TP12

CH 12

ACTIVITYCH10

TP10

CH 10

ACTIVITYCH9

TP9

CH 9

ACTIVITYCH8

TP8

CH 8

ACTIVITYCH0

TP0

CH 0

ACTIVITYCH15

TP15

CH 15

-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+

-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+


17Modelo creado en SIMULINK


18Conexión física del relevador para la prueba de lazo cerrado.

PC PrincipalInterfaz con el

Usuario

Relevador ComercialSEL 421

Osciloscopio

Simulador Digital en

Tiempo Real Opal-RT

Conclusiones

19

La tendencia actual en la mayoría de los programas de Ingeniería Eléctrica en Sistemas de Potencia a nivel mundial es emplear principalmente simuladores virtuales (programas de simulación digital) para realizar trabajos de investigación y docencia en esta importante área. Esto se ha debido principalmente a que la construcción y mantenimiento de simuladores experimentales de laboratorio de sistemas de potencia implica grandes costos de inversión y mantenimiento de los equipos principales de simulación y de los equipos auxiliares de medición y control.El mejor enfoque posible, de acuerdo a la opinión del Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos, es combinar ambos tipos de simuladores, los cuales son complementarios.

Conclusiones

20

Los simuladores y equipos desarrollados podrán ser empleados para organizar en un futuro proyectos de colaboración a nivel nacional e internacional con instituciones educativas e industriales.

El programa de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Eléctrica actualmente no está en el PNPC. Se está restructurando con el objeto de que cumpla con los criterios del CONACyT, y dentro de estos planes, la mejora de los laboratorios se considera como una prioridad, ya que además de reforzar todas la áreas de investigación, servirá para proveer de herramientas para que los profesores que se han integrado recientemente al programa se consoliden como investigadores del SNI.

Conclusiones

21

• http://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx

La página de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de SEPI-ESIME-Zacatenco del IPN:

La información del proyecto y del grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas puede ser consultada en:

• [email protected]

El correo electrónico (Dr. Daniel Ruiz Vega):

nombre: daniel ruiz vega sepi-esime-zacatenco, ipn

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