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Desarrollo de un simulador
experimental de sistemas
de potencia para estudiar el efecto de
nuevas plantas solares
Nombre: Daniel Ruiz Vega SEPI-‐ESIME-‐Zacatenco, IPN Sede Regional: Centro,
Ins@tuto Politécnico Nacional Fecha: 22 de octubre de 2014
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Motivación Se 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.
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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 inves@gación se emplean de manera complementaria muchos @pos de simuladores.
En los programas de posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-‐ESIME-‐Zacatenco se han desarrollado o adquirido todos los @pos de simuladores de sistemas de potencia.
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Motivación
• Desarrollar y validar modelos de las nuevas plantas para ser empleados en los programas que se u@lizan 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 proto@pos 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 @po de plantas requiere la implementación de laboratorios experimentales, como se han establecido en otras partes del mundo, con el objeto de:
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Motivación • Al tener el sistema experimental, se puede realizar inves@gación 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 mul@disciplinario y abarca sobre todo áreas de inves@gación en los campos de las ingenierías electrónica, eléctrica, de telecomunicaciones, de control y de computación.
• Además de ser muy ú@l en la inves@gación, un laboratorio de este @po puede ser empleado para la docencia a nivel licenciatura y posgrado en cursos y prác@cas que además de enseñar los conceptos básicos de una planta solar, verifiquen su correcto funcionamiento.
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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 sistema 6
Planta solar • Es un proyecto mul@disciplinario del IPN aprobado en 2013
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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 disponible Actualmente se cuenta en los Programas de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-‐ESIME-‐Zacatenco con dos simuladores experimentales con caracterís@cas muy importantes para realizar inves@gación en sistemas de potencia.
• El simulador experimental de sistemas de potencia, el cual @ene 4 áreas de control.
• El simulador Opal-‐RT de @empo real con 12 núcleos.
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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
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• 33 reactores monofásicos de diferentes impedancias para modelar líneas de transmisión.
• 23 módulos trifásicos para representar cargas está@cas capaci@vas, induc@vas y resis@vas.
• 26 capacitores para modelar el efecto capaci@vo 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:
Simulador experimental de sistemas de potencia
11
Simulador experimental de sistemas de potencia
12
Simulador experimental de sistemas de potencia
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)
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13
Simulador experimental de sistemas de potencia
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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 experimentalValor teóricoValor experimental filtrado
0 10 20 30 40 50 60 70 80 900
10
20
30
40
50
60
70
Tiempo [ms]
Êng
ulo
de c
arga
δ [°
]
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, estabi l idad, máquinas e léctr icas , 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
Simulador de tiempo real
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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
3119
10
4L9
25 km10 km
Area 2
C9
G1
G2
1 57
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
TP1CH 1
ACTIVITYCH2
TP2CH 2
ACTIVITYCH11
TP11
CH 11
ACTIVITYCH3
TP3CH 3
ACTIVITYCH4
TP4CH 4
ACTIVITYCH5
TP5CH 5
ACTIVITYCH6
TP6CH 6
ACTIVITYCH7
TP7CH 7
ACTIVITYCH14
TP14
CH 14
ACTIVITYCH13
TP13
CH 13
ACTIVITYCH12
TP12
CH 12
ACTIVITYCH10
TP10
CH 10
ACTIVITYCH9
TP9CH 9
ACTIVITYCH8
TP8CH 8
ACTIVITYCH0
TP0CH 0
ACTIVITYCH15
TP15
CH 15
MODULE #2
ACTIVITYCH1
TP1CH 1
ACTIVITYCH2
TP2CH 2
ACTIVITYCH11
TP11
CH 11
ACTIVITYCH3
TP3CH 3
ACTIVITYCH4
TP4CH 4
ACTIVITYCH5
TP5CH 5
ACTIVITYCH6
TP6CH 6
ACTIVITYCH7
TP7CH 7
ACTIVITYCH14
TP14
CH 14
ACTIVITYCH13
TP13
CH 13
ACTIVITYCH12
TP12
CH 12
ACTIVITYCH10
TP10
CH 10
ACTIVITYCH9
TP9CH 9
ACTIVITYCH8
TP8CH 8
ACTIVITYCH0
TP0CH 0
ACTIVITYCH15
TP15
CH 15
MODULE #3
ACTIVITYCH1
TP1CH 1
ACTIVITYCH2
TP2CH 2
ACTIVITYCH11
TP11
CH 11
ACTIVITYCH3
TP3CH 3
ACTIVITYCH4
TP4CH 4
ACTIVITYCH5
TP5CH 5
ACTIVITYCH6
TP6CH 6
ACTIVITYCH7
TP7CH 7
ACTIVITYCH14
TP14
CH 14
ACTIVITYCH13
TP13
CH 13
ACTIVITYCH12
TP12
CH 12
ACTIVITYCH10
TP10
CH 10
ACTIVITYCH9
TP9CH 9
ACTIVITYCH8
TP8CH 8
ACTIVITYCH0
TP0CH 0
ACTIVITYCH15
TP15
CH 15
-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+
-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+
Power distribution unit
MODULE #1
ACTIVITYCH1
TP1CH 1
ACTIVITYCH2
TP2CH 2
ACTIVITYCH11
TP11
CH 11
ACTIVITYCH3
TP3CH 3
ACTIVITYCH4
TP4CH 4
ACTIVITYCH5
TP5CH 5
ACTIVITYCH6
TP6CH 6
ACTIVITYCH7
TP7CH 7
ACTIVITYCH14
TP14
CH 14
ACTIVITYCH13
TP13
CH 13
ACTIVITYCH12
TP12
CH 12
ACTIVITYCH10
TP10
CH 10
ACTIVITYCH9
TP9CH 9
ACTIVITYCH8
TP8CH 8
ACTIVITYCH0
TP0CH 0
ACTIVITYCH15
TP15
CH 15
MODULE #2
ACTIVITYCH1
TP1CH 1
ACTIVITYCH2
TP2CH 2
ACTIVITYCH11
TP11
CH 11
ACTIVITYCH3
TP3CH 3
ACTIVITYCH4
TP4CH 4
ACTIVITYCH5
TP5CH 5
ACTIVITYCH6
TP6CH 6
ACTIVITYCH7
TP7CH 7
ACTIVITYCH14
TP14
CH 14
ACTIVITYCH13
TP13
CH 13
ACTIVITYCH12
TP12
CH 12
ACTIVITYCH10
TP10
CH 10
ACTIVITYCH9
TP9CH 9
ACTIVITYCH8
TP8CH 8
ACTIVITYCH0
TP0CH 0
ACTIVITYCH15
TP15
CH 15
MODULE #3
ACTIVITYCH1
TP1CH 1
ACTIVITYCH2
TP2CH 2
ACTIVITYCH11
TP11
CH 11
ACTIVITYCH3
TP3CH 3
ACTIVITYCH4
TP4CH 4
ACTIVITYCH5
TP5CH 5
ACTIVITYCH6
TP6CH 6
ACTIVITYCH7
TP7CH 7
ACTIVITYCH14
TP14
CH 14
ACTIVITYCH13
TP13
CH 13
ACTIVITYCH12
TP12
CH 12
ACTIVITYCH10
TP10
CH 10
ACTIVITYCH9
TP9CH 9
ACTIVITYCH8
TP8CH 8
ACTIVITYCH0
TP0CH 0
ACTIVITYCH15
TP15
CH 15
-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+
-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+-+
Simulador de tiempo real
17 Modelo creado en SIMULINK
Simulador de tiempo real
18 Conexión 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 inves@gación 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 Inves@gación de Fenómenos Dinámicos, es combinar ambos @pos 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 ins@tuciones educa@vas 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 inves@gación, servirá para proveer de herramientas para que los profesores que se han integrado recientemente al programa se consoliden como inves@gadores del SNI.
Conclusiones
21
• hip://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 inves@gación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas puede ser consultada en:
El correo electrónico (Dr. Daniel Ruiz Vega):