TEMA 3.4 Modelación Interfaz Electrónica de Potencia

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1 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt TEMA 3.4 Modelión Interfaz Electrónica de Potencia Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

2 Contenido Capitulo III. Aspectos de Modelión de Fuentes de Generión Distribuida. Procesos Dinámicos en Sistemas Eléctricos de Potencia. Simulión de la Dinámica de Sistemas de Potencia. Modelo General del problema y Solución Numérica. Modelos de Generadores Eléctricos: generador sincrónico, generador de inducción, generador de imanes permanentes. on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

3 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Contenido Capitulo III. Aspectos de Modelión de Fuentes de Generión Distribuida. Modelos de Interfaz Electrónica: convertidor del lado de la red, convertidores del lado del generador. Modelión de Fuentes: micro turbina de eje simple, micro turbina de eje partido, celda de bustible, turbina a gas, sistemas de conversión de energía del viento.

4 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Modelos de Interfaz Electrónica Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

5 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Modelos de Interfaz Electrónica Modelo de una Fuente de Generión Distribuida Energía Primaria Conversión Primaria y/o Proceso de almenamiento Potencia Eléctrica 1 Proceso de Conversión 1 Potencia Eléctrica 2 Capitor de enle DC Potencia Eléctrica 3 Proceso de Conversión 2 Potencia Eléctrica 4 Sistema Eléctrico de Potencia X f

6 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Modelos de Interfaz Electrónica Una estructura típica de una fuente de generión con una interfaz convertidora de potencia, es mostrada en la siguiente Figura. X f Interfaz Típica del Convertidor a la red

7 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Modelos de Interfaz Electrónica La fuente de energía, puede ser una fuente de potencia dc por sí misma (por ejemplo, sistema fotovoltaico o celda de bustible) o una fuente de alterna la cual es rectificado o una fuente dc (una turbina de viento, una micro-turbina, etc.). X f Interfaz Típica del Convertidor a la red

8 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Modelos de Interfaz Electrónica En muchos casos, la fuente en sí misma puede incluir otros convertidores electrónicos de potencia (/dc, y dc/dc), a fin de crear y/o regular el voltaje dc o la corriente. X f Fuente dc o Interfaz Típica del Convertidor a la red

9 Modelos de Interfaz Electrónica Aunque no es posible derivar un modelo general, el cual pueda representar con suficiente precisión la dinámica de todos los tipos de convertidores electrónicos de potencia Algunos principios generales y ejemplos típicos son presentados en lo sucesivo, concentrando los esquemas de los más unes en la práctica. Interfaz Típica del Convertidor a la red X f on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

10 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Convertidor del Lado de la Red Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

11 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red En la Figura siguiente se ilustra el esquema más únmente empleado, utilizando una fuente de voltaje y un convertidor dc/. C dc, i X f I T, T b

12 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Ejemplo: Sistema Fotovoltaico Celda Fotovoltaica Arreglo Fotovoltaico

13 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Otros tipos de interfes basados en convertidores electrónicos de potencia (tales o inversores con fuentes de corriente, o convertidores en cascada son usados en casos muy particulares de FGD) son también utilizados en la práctica y requieren de un enfoque de modelión diferente, no cubierto aquí. C dc, i X f I T T, b

14 Convertidor del Lado de la Red Los principios de control y operión de tales dispositivos, son discutidos, y se presentan los modelos de valor medio (es decir, las frecuencias diferentes a la fundamental, son despreciadas) Son más simples, generales y frecuentemente, son lo suficientemente buenos, o para examinar la interción entre la generión distribuida y el fenómeno del sistema eléctrico de potencia, en la banda de frecuencia de 0.1 a 10 Hz on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

15 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Diagramas simplificados a frecuencia fundamental, para el convertidor dc/, basado en una fuente de voltaje. C dc, i X f I T T, b X f, I T i T, b

16 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Circuito equivalente y diagrama fasorial para la salida del convertidor electrónico de potencia del lado de la red X f, i I T T, b i jx f I b f T I T T

17 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red X f i, I T i T, b I T jx I b f T La potencia tiva P, y retiva Q, a la salida del convertidor, es dada por las siguientes reliones: T P sen X f 2 T T Q cos X f X f T

18 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red La potencia tiva, P, es predominantemente dependiente del ángulo de potencia, entre los fasores de voltaje del inversor y el fasor de voltaje del lado de la red. P X f T sen La potencia retiva, Q, es determinada por la magnitud de voltaje del inversor. X f X f 2 Q T T cos

19 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red El control de potencia tiva y retiva, que entrega el convertidor a la red, es efectuado por el convertidor dc/. 2 T T T P sen Q cos X X X f f f X f i, I T i T, b I T jx I b f T T

20 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red En el caso de un inversor, esto se realiza, a partir de una fuente de voltaje. Las variables controladas con la frecuencia i yla ponente fundamental del voltaje,, el cual, es sintetizado por el interruptor adecuado de los dispositivos electrónicos de conmutión Q P X X f, i I T T, b

21 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red El relativo desople de la regulión de la potencia tiva y retiva, permite la implementión del principio de control: P X f T sen * * P * i P X 2 Q T f X f T cos * Q * Q

22 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Los lazos de regulión de la potencia tiva y retiva son independientes, pero no pletamente desoplados Control de Frecuencia P X f T sen * * P * i P X 2 Q T f X f T cos * Q Q * Control de oltaje

23 Convertidor del Lado de la Red Evidencia del Acople Cambio Q Cambio P Efecto de cambio de P en Q P [p.u] 1.2 Efecto de cambio de Q en P Time [s] ] Solo para ser empleado con fines adémicos o de inve Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. 0.6 Q [p.u Time [s]

24 Convertidor del Lado de la Red Ajuste * * P Real P Control PI * Q Q * i * Control de Frecuencia Control lde oltaje donde P * y Q *, son los ajustes de la potencia tiva y retiva, P y Q son las potencia tiva y retiva real, mientras que el ángulo, es calculado desde las mediciones de los voltajes de fase y las corrientes on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

25 Convertidor del Lado de la Red La determinión de las referencias de potencia tiva y retiva P * * y Q,, dependen de la aplición específica y de la instalión considerada. Ftor de Potencia: Constante ariable * Q Una práctica usual, es utilizar la entrada Q *, a fin de mantener un ftor de potencia constante alasalida (frecuentemente la unidad, Q * =0) Q * on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

26 Convertidor del Lado de la Red FACTOR DE POTENCIA CONSTANTE Una práctica usual, es utilizar la entrada Q *, a fin de mantener un ftor de potencia constante alasalida (frecuentemente la unidad, Q * =0) FACTOR DE POTENCIA ARIABLE El ajuste de potencia retiva puede ser variado a fin de regular -o simplemente mantener- el voltaje de barra en (o muy cerca de) la salida del convertidor, esto, siempre que la capidad nominal del convertidor lo permita on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

27 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Control de oltaje de Barra es mostrado en la siguiente Figura. * T * Q T donde * es el nivel de voltaje deseado en la barra.

28 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Si la fuente de corriente continua, no es fuerte o robusta, la entrada del ajuste de potencia tiva P * puede ser usado para regular el voltaje de la barra dc. * * dc P dc

29 Convertidor del Lado de la Red Inversor con Control por Histéresis de Corriente Controlador de oltaje dc INERSOR Solo para ser empleado con fines adémicos o de inve Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Corrientes de salida Medidas das oltajes Medidos

30 Convertidor del Lado de la Red Inversor con Control Onda Portadora PWM de Corriente INERSORR Solo para ser empleado con fines adémicos o de inve Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Corrientes de salida Medidas

31 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Forma de Onda de oltaje en Terminales del Inversor Tiempo [seg]

32 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Forma de Onda de oltaje en Terminales de la Red Tiempo [seg]

33 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado de la Red Forma de Onda de la Corriente en Terminales de la Red Tiempo [seg]

34 Convertidor del Lado de la Red ab [p.u] Dynamic Performance Implications of the Power Conditioner Grid-Connected for Photovoltaic Source C. Peraza 1, F. González-Longatt 2,3 and C. illanueva Time [s] 0 Ia [p.u] Solo para ser empleado con fines adémicos o de inve Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Time [s]

35 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Fuente dc Débil Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

36 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Fuente dc Débil Si la fuente primera es débil y al mismo tiempo el sistema de almenamiento no es adecuado, se debe cubrir parte de la demanda desde la red. Potencia solicitada i seg Respuesta de la Celda de Combustible Tiempo [seg]

37 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Fuente dc Débil La diferencia de la potencia Demandada y la generada debe ser importada desde la red, o suministrada por el dispositivo de almenamiento.

38 Fuente dc Débil Potencia desde la red Potencia desde la Microfuente Solo para ser empleado con fines adémicos o de inve Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Tiempo [seg] Tiempo [seg]

39 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Lecturas

40 Lecturas Lecturas obligatorias: R.H. Lasseter, Control of distributed resources,, in: L H. Fink, C.D. ournas (Eds.), Proceedings: Bulk Power Systems Dynamics and Control I, Restructuring, organized by IREP and National Technical University it of Athens, Santorini, i Greece, August 23 28, 1998, pp F. González-Longatt, A. Hernández, F. Guillen, C. Fortoul. Load following Function of Fuel Cell Plant in Distributed Environment. In proceeding of International Conference on renewable energy and Power Quality (ICREPQ 05) 05). March 16-18, Zaragoza, Spain, on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

41 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Fuente dc Robusta Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

42 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Fuente Robusta Cuando se conecta una fuente de generión distribuida a la red por medio de un convertidor electrónico de potencia y se dispone de la ayuda de dispositivos auxiliares de una batería que suministra la potencia transitoria. Baterías C dc, i X f I T, T b Fuente Robusta

43 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Fuente Robusta Los detalles en el desempeño de la fuente de generión distribuida tienden a perder importancia cuando se examina el desempeño de la unidad visto desde los terminales de la red DC Inversor Red Señales de disparo de puerta Controlador Manipulión de Medidas

44 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Fuente Robusta Equivalentes de una Fuente Robusta Fuente de Potencia Bus dc Sistema Enle dc Bus dc Fuente Robusta dc

45 Fuente Robusta En vez de ello, el inversor será conectado a los terminales de la batería, y solamente se verá una fuente dc relativamente fuerte o robusta. Fuente Robusta dc Bus dc La fuente de potencia no es requerida para lograr una rápida respuesta transitoria, debido a que el trabajo que efectuará, se basa únicamente, en mantener cargada la batería on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

46 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Lecturas

47 Lecturas Lecturas Obligatorias Lasseter R., K. Tomsovic and P. Piagi, Scenarios for Distributed Technology Applications with Steady State and Dynamic Models of Loads and Micro- Sources. Consortium for Electric Reliability Technology Solutions April N. Hatziargyriou, M. Donnelly, S. Papathanassiou, J.A. Pecas Lopes et al. Modeling of New Forms of Generation and Storage. CIGRE Technical Brochure TF , November on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

48 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Lecturas F. electronics as efficient interfe in dispersed power generation systems. IEEE Transtions on Power Blaabjerg, Zhe Chen, S.B. Kjaer, Power Electronic. olume 19, Issue 5, Sept. 2004, p.p

49 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Convertidores del Lado del Generador Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt

50 Convertidor del Lado del Generador El convertidor dc/ utilizando una fuente de voltaje, es el convertidor electrónico de potencia más empleado o interfaz a la red. Celda de Combustible Conversión DC/DC Conversión DC/AC Celda de Combustible Conversion DC/AC AC/AC Hay tecnologías de generión distribuida que requieren de otros tipos de convertidores. on fines adémicos o de inve z-longatt. Solo para ser empleado co Dr. Francisco M. Gonzalez

51 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado del Generador Por ejemplo, las turbinas de viento a velocidad variable, típicamente emplean convertidores en cascada, o basados en fuentes de corriente

52 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado del Generador La modelión de la fuente de energía, es específico al caso y depende del tipo de fuente en considerión (turbinas de viento, fotovoltaicos, micro-turbinas, etc.). El modelo desarrollado es conectado y resuelto, junto con el modelo del convertidor dc/, para representar la dinámica o un sistema pleto

53 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Convertidor del Lado del Generador El modelo de los convertidores conectados del lado del generador, son apliciones muy específicas al tipo y esquema de tecnología considerada. Se ha dejado a la modelión de estos ponentes donde sea necesario.

54 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt Lecturas

55 Dr. Francisco M. Gonzalez-Longatt. Lecturas Lecturas Obligatorias F. electronics as efficient interfe in dispersed power Blaabjerg, Zhe Chen, S.B. Kjaer, Power generation systems. IEEE Transtions on Power Electronic. olume 19, Issue 5, Sept. 2004, p.p

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