S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO. cenidet

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1 S.E.P. S.E.I.T. D.G.I.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet CONTROL SUPERVISORIO DIFUSO PARA UN SISTEMA HÍBRIDO DE GENERACIÓN ELÉCTRICA 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 INGENIERÍA ELECTRÓNICA P R E S E N T A : JAVIER LAGUNAS MENDOZA D I R E C T O R E S D E T E S I S : DR. CÉSAR ORTEGA SÁNCHEZ DRA. PATRICIA CARATOZZOLO MARTELLITI CUERNAVACA, MORELOS OCTUBRE DE 2004

2 RESUMEN En este trabajo se presenta el desarrollo de un controlador supervisorio difuso para un sistema híbrido de generación eléctrica (SHGE). En este trabajo se definió la configuración y los elementos que componen el SHGE a utilizar, producto de la revisión de configuraciones de sistemas híbridos propuestas actualmente. La configuración del SHGE incluye: arreglos fotovoltaicos y aerogeneradores como fuentes de generación renovable, una máquina de combustión interna como sistema de respaldo, un banco de baterías como medio de almacenamiento de energía, cargas eléctricas en corriente alterna y un inversor CD/CA para poder alimentarlas. También a partir de la configuración propuesta se buscaron y seleccionaron los modelos matemáticos de los diferentes elementos del sistema. Se llevó a cabo la validación de los modelos a través de la comparación de la salida contra datos reales obtenidos en un SHGE instalado en Pachuca. Con los modelos se llevó a cabo el desarrollo de un programa de simulación para un SHGE en Matlab. Se determinó la función principal del controlador supervisorio dentro del SHGE. La función es satisfacer el o los objetivos de operación del sistema. La filosofía de operación del controlador supervisorio se definió a partir de la configuración eléctrica propuesta y de los objetivos de operación del sistema. Por lo que respecta al desarrollo del controlador supervisorio, se llevó a cabo una revisión de los controladores supervisorios actuales que utilizan alguna técnica de control inteligente. A partir de esta revisión se eligió la lógica difusa como la técnica para desarrollar el controlador supervisorio. El controlador supervisorio resultó en un sistema multivariable que planteó un desafío en su implementación. Su desarrollo se planteó utilizando la descomposición jerárquica basada en meta-conocimiento. Como resultado se tuvieron sistemas difusos más pequeños con un menor número de reglas. Una parte importante del trabajo fue la implementación del controlador supervisorio en Matlab. El controlador se probó en el programa de simulación para SHGE. Los resultados de la operación del controlador supervisorio difuso se compararon con la operación de un controlador convencional. Los resultados muestran que el controlador supervisorio cumple con los tres objetivos de operación del sistema: i) disminuir el consumo de combustible del sistema de respaldo, ii) disminuir la profundidad de descarga del banco de baterías, y iii) mantener lo más cargado posible el banco de baterías al aprovechar mejor los recursos renovables disponibles.

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5 SUMMARY This work presents the development of a fuzzy supervisory controller for a hybrid power system (HPS). After reviewing the actual configurations for Hybrid Systems used around the world, it was defined the configuration and constitutive elements to be implemented in proposed HPS. The HPS includes: photovoltaic arrays, wind turbines as renewable sources, a Gen-set as a back-up system, a battery bank a mean for energy storage, AC loads and finally an inverter to transform DC to AC in order to provide electricity to the loads. Once the HPS configuration was selected, the mathematical models for the different elements of the system were selected. The validation of the models was made comparing the results from the model with collected real data of an experimental HPS installed in Pachuca Hidalgo. Using MatLab it was developed a program to simulate the operation of the a HPS The main function of the supervisory controller within the HPS is to satisfy the objectives of operation of the system, and it was defined as part of the research work The operation philosophy of the supervisory controller was defined having selected HPS configuration and the operation objectives of the system. Regarding to the supervisory controller development, first it was carried out a bibliographic review of the supervisory controllers that are used now a days whose use some techniques of intelligent control. As result form this review the fuzzy logic technique was chosen to be implemented in the supervisory controller proposed. The resulting supervisory controller was a multi-variable system type, and it is implementation was challenging task. Its development was made using the hierarchic decomposition based on meta-knowledge. As result a smaller diffuse systems with a less number of rules were obtained. An important part of the work was the implementation of the supervisory controller in Matlab. The controller tested in the developed simulation program for SHGE. The results of operation of the fuzzy supervisory controller were compared with a conventional controller. The results shows that the supervisory controller fulfills the three main objectives of the system operation: i) to reduce the fuel consumption of the back-up system, ii) to reduce the depth of the discharge of the battery bank, and iii) to keep fully charged the battery bank as much as possible in order to make a better use of the available free renewable energy sources.

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7 DEDICATORIAS A mi esposa Marina A mis hijos Javis y Maryfer A mis papás Jesús y Salustia A mis hermanos Oscar y Laura A mis sobrinos Oscar Jesús y César Maximiliano A mis cuñados Estela y César

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9 AGRADECIMIENTOS A Dios por todo lo que me ha dado y porque sin su ayuda no lo hubiera logrado. A Él por quien sé es y se vive. A Marina por su apoyo, amor y ánimos para lograr la maestría. Por ocupar mi lugar en la casa en mis horas de ausencia. Por su comprensión por el abandono. Por su impulso para seguir adelante. A mis hijos Javier y María Fernanda porque sus sonrisas y cariño me impulsan a seguir adelante. A mis papás Jesús y Salustia por su amor y ejemplo para conseguir las cosas. Al resto de mi familia (hermanos, sobrinos y cuñados ) por las muestras de cariño y ánimo para continuar. A mis asesores la Dra. Patricia Caratozzolo Martelliti (Cenidet) y el Dr. César Ortega Sánchez (IIE) por su tiempo y asesoría para realizar este trabajo. A mis revisores, el Dr. Raúl Garduño (IIE), el Dr. Alejandro Rodríguez (Cenidet ) y el Dr. Gerardo Guerrero (Cenidet) por sus invaluables comentarios y aportaciones a este trabajo. Al Instituto de Investigaciones Eléctricas por el apoyo para realizar la maestría. Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico por la formación académica recibida. Al Dr. Jorge M. Huacuz Villamar, Gerente de Energías No Convencionales por apoyarme durante el programa de maestría. A mis apreciables amigos y compañeros de la maestría Miguel Ángel, Nef, Miguel, Cristín, Víctor, Luis, Arnulfo y Agustín porque sin sus ánimos y amistad hubiera estado más difícil. Un agradecimiento especial a mi amigo Miguel Ángel Martínez por haberme avisado del programa de maestría. A mis amigos y compañeros de trabajo por sus ánimos y comentarios y algunos sobretodo por su tolerancia en los momentos difíciles. En especial al Ing. Raúl González Galarza e Ing. Jaime Agredano Díaz por sus comentarios para el desarrollo de este trabajo. A mis amigos del grupo Cristo en Misión por compartir conmigo y mi familia el camino hacia Dios.

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11 CONTENIDO Lista de Figuras... v Lista de Tablas... ix Lista de Acrónimos... xi Simbología...xiii 1 Introducció n Antecedentes Descripción del problema Soluciones existentes Propuesta de solución Objetivo y alcance de la tesis Organización de la tesis Sistema híbrido de generación eléctrica Definición Clasificación Ejemplos Configuración del sistema híbrido a utilizar Dimensionamiento del sistema híbrido a utilizar Modelado del sistema híbrido Modelo matemático del aerogenerador Modelo matemático del arreglo fotovoltaico Modelo matemático del banco de baterías Modelo matemático de las cargas eléctricas Modelo matemático del inversor Modelo matemático de la máquina de combustión interna Programa de simulación...65

12 Contenido ii 4 Control supervisorio de sistemas híbridos Definición de control supervisorio Objetivos de operación del sistema Control supervisorio convencional Controles supervisorios avanzados Controles basados en lógica difusa Controles basados en redes neuronales Otros controles avanzados Desarrollo del control supervisorio Entradas y salidas de los elementos del sistema híbrido Entradas y salidas del controlador supervisorio Selección de la técnica de control a utilizar en el desarrollo del controlador supervisorio Sistemas difusos jerárquicos Descomposición jerárquica del controlador supervisorio difuso Desarrollo del controlador supervisorio difuso Sistema difuso propuesto Conjuntos difusos Base de reglas IF-THEN Implementación del controlador supervisorio difuso Secuencia de eventos del programa de simulación Resultados de simulación Perfiles de la carga demandada Perfiles de los recursos renovables y de las potencias disponibles Resultados Modularidad y flexibilidad del controlador Conclusiones y trabajo futuro Sumario Ventajas de utilizar la lógica difusa en el desarrollo del controlador Conclusiones Aportaciones del trabajo de tesis Publicaciones Trabajos futuros...135

13 Contenido iii Referencias I Introducción a la lógica difusa I.1 Fundamentos de la lógica difusa I.1.1 Operaciones básicas de lógica difusa I.2 Implementación de la lógica difusa I.2.1 Reglas difusas SI-ENTONCES I.2.2 Proposiciones difusas I.2.3 Interpretación de las reglas difusas SI-ENTONCES I.3 Estructura de los sistemas difusos I.3.1 Tipos de sistemas difusos II Algoritmo de operación del controlador convencional...151

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15 LISTA DE FIGURAS 1.1 Sistemas fotovoltaicos aislados instalados en Oaxaca Sistema híbrido eólico-fotovoltaico instalado en Pachuca, Hgo Máquina diesel instalada en el SHGE de Xcalak, Q uintana Roo Diagrama a bloques de un SHGE (Newnham y Baldsing, 2002) Topología serie de un SHGE (Nayar et al, 1993) Topología paralelo con acoplamiento en CD de un SHGE (Dehbonei et al, 2003) Topología paralelo con acoplamiento en CA de un SHGE (Dehbonei et al, 2003) SHGE eólico- fotovoltaico-diesel con topología paralelo con acoplamiento en CD (Dehbonei et al, 2003) SHGE fotovoltaico-diesel con topología paralelo con acoplamiento en CD (Wichert y Lawrence, 1997) SHGE eólico-fotovoltaico-diesel con topología paralelo con acoplamiento en CD (Eoltec) SHGE eólico-fotovoltaico con topología paralelo con acoplamiento en CD (Ai et al, 2003) SHGEeólico-fotovoltaico-celda de combustible con topología paralelo con acoplamiento en CD (Kolhe et al, 2003) SHGE eólico-fotovoltaico-diesel con acoplamiento en CA (Dehbonei et al, 2003) SHGE eólico-fotovoltaico-microhidráulica-diesel con acoplamiento en CA (Strauss et al, 2000) Configuración del SHGE propuesto con topología paralelo y con acoplamiento en CD) Configuración del SHGE experimental instalado en Pachuca, Hgo Aerogenerador Avispa Arreglos fotovoltaicos instalados en el SHGE de Pachuca Banco de baterías formado por 6 baterías en serie Inversor/rectificador utilizado en el SHGE de Pachuca Motogenerador a gasolina de 6.5 KW de potencia nominal Configuración del SHGE a utilizar Curva de potencia de un aerogenerador (Manwell et al, 1998) Curvas de potencia del aerogenerador Avispa Potencia simulada del aerogenerador y velocidad de viento medida...33 v

16 Lista de figuras vi 3.5 Comparación de la potencia calculada con datos de viento a 18 m y la potencia real medida para el aerogenerador Detalle de la figura Error presentado por el modelo del aerogenerador y los datos reales para el período presentado en la figura Circuito equivalente para un generador fotovoltaico (Duffie y Beckman, 1991) Curvas típicas I-V y P-V para un módulo fotovoltaico (Duffie y Beckman, 1991) Curvas I-V para un módulo FV a diferentes niveles de radiación. Se muestran además, los puntos de máxima potencia. (Duffie y Beckman, 1991) Curva I-V y puntos de máxima potencia de un módulo FV a temperaturas de 25 y 50 C (Duffie y Beckman, 1991) Comparación de la potencia calculada buscando el punto de máxima potencia y las potencias reales medidas en el SHGE de Pachuca Potencia calculada para un módulo FV y radiación solar en el plano de los arreglos FV (RSP) y temperatura real medida en un módulo FV Comparación de la potencia calculada con el modelo y la potencia real medida para un módulo FV Detalle de la figura Aproximación para el tercer día simulado de la figura Comparación de las potencias obtenidas con los modelos H2 y Lorenzo y la potencia medida en uno de los módulos FV Porcentaje del error presentado por los modelos H2 y Lorenzo respecto a los datos reales para el período presentado en la figura Comparación de los voltajes calculados y medidos (SOC menor a 80%) Comparación de los voltajes calculados y medidos para un SOC cercano a 100% (gráfica superior). SOC obtenido para esta comparación (gráfica inferior) Comportamiento de la eficiencia del banco de baterías con relación al SOC para el período simulado Comparación del modelo Copetti y el modelo mejorado con el vo ltaje real (SOC cercano a 100%) Detalle de la figura anterior Errores presentados por los modelos Copetti y mejorado respecto a los datos reales de voltaje para el período simulado de 4 días Comparación de los SOC obtenidos con los modelos mejorado y Castañer con un SOC inicial de 65% Comparación de los SOC obtenidos con los modelos mejorado y Castañer con un SOC inicial de 30% Patrón de demanda diaria de las cargas prioritarias (proceso de cárnicos) Patrón de demanda diaria de las cargas no prioritarias (proceso de lácteos) Comparación de las curvas de eficiencia del inversor: la calculada y la proporcionada por el fabricante Potencia de cargas prioritarias y potencia de salida del inversor Potencia de cargas no prioritarias y potencia de salida del inversor Diagrama de flujo del programa de simulación del SHGE Resultados de 4 días de simulación. a) potencias generadas (aerogeneradores y arreglos FV) y potencia demandada en el sistema, b) SOC resultante...68

17 Lista de figuras vii 4.1 Funciones del control supervisorio (Manwell et al, 1998) Ejemplo del objetivo principal en el suministro de electricidad de 4 diferentes aplicaciones (Lemos, 2000) Niveles de abstracción de los componentes de un SHGE (Lemos, 2000) Sistema de administración de energía basado en pronóstico de la demanda y de la generación renovable SHGE modular (Engler, 2000) Definición de las entradas y salidas del controlador supervisorio Entradas y salidas del controlador supervisorio Diagrama de un controlador lógico difuso (Pandiaraj, et al, 2001) Controlador PID con un controlador supervisorio difuso (Glankwamdee, et al, 1999) Ejemplo de un sistema difuso jerárquico con n entradas. El sistema difuso jerárquico contiene n-1 sistemas difusos de 2 entradas (Wang, 1997) Estructura jerárquica de un sistema difuso que utiliza un modificador (Magdalena, et al, 1998) Sistema difuso para cuando el SOC es ALTO (meta-regla No. 1) Sistema difuso para cuando el SOC es BAJO (meta-regla No. 3) Sistemas difusos jerárquicos cuando el SOC es ALTO Sistema difuso jerárquico para cuando el SOC es BAJO Sistema difuso 1 del tipo TSK Definición de los conjuntos difusos para la potencia de: a) 5 aerogeneradores, b) 4 arreglos FV, c) cargas prioritarias, d) cargas no prioritarias y e) potencia estimada de un arreglo FV (potencia máxima 675 W) Definición de entradas y salidas del sistema difuso 1 con la herramienta FIS-Editor-Viewer Definición de entradas y salidas del sistema difuso 3 con la herramienta FIS-Editor-Viewer Definición de entradas y salidas del sistema difuso 5 con la herramienta FIS-Editor-Viewer Edición de las reglas del sistema difuso 5 utilizando la herramienta FIS-Editor-Viewer Diagrama de flujo del programa de simulación con el controlador supervisorio incluido Perfil de demanda de las cargas prioritarias Perfil de las cargas no prioritarias Perfil de la carga demandada en el SHGE para todo el período de simulación Radiación solar incidente sobre los paneles fotovoltaicos y potencia disponible con los 4 arreglos fotovoltaicos Velocidad de viento incidente sobre los rotores de los aerogeneradores y potencia disponible con los 5 aerogeneradores...121

18 Lista de figuras viii 6.6 Condiciones en el sistema: a) potencia demandada, b) potencia eólica disponible, c) potencia FV disponible y d) comparación de SOC C SD y CONV Comparación de la operación de los controladores: a) potencia demandada, b) potencia FV disponible y del CSD, c) potencia FV del CONV y d) SOC del CSD y CONV Comparación del SOC del CSD y del CONV para los 10 días de simulación Comparación de la operación de los controladores: a) potencia demandada, b) potencia AG disponible y del CSD, c) potencia FV disponible y potencia AG del CONV y d) SOC del C SD y CONV Comparación de la conexión (CX) del motogenerador con el CSD y el CONV; a) SOC, b) líneas de conexión I.1 Conjuntos difusos asociados a la potencia de los aerogeneradores (PAG) I.2 Configuración de un sistema difuso con fusificador y desfusificador (Wang, 1997) I.3 Configuración de un sistema difuso Takagi-Sugeno-Kang (TSK) (Wang, 1997) I.4 Función trapezoidal...147

19 LISTA DE TABLAS 3.1 Datos de potencia del aerogenerador Avispa a nivel del mar y a la altura de Pachuca, Hgo Datos técnicos del módulo FV utilizado en el SHGE de Pachuca Datos técnicos de la batería utilizada en el SHGE de Pachuca Coeficientes de la ecuación Variables utilizadas en el controlador y simbología utilizada en la figura Universos de discurso de cada una de las variables de entrada Base de conocimientos del sistema difuso Base de conocimientos del sistema difuso Base de conocimientos del sistema difuso Base de conocimientos del sistema difuso Base de conocimientos del sistema difuso ix

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21 LISTA DE ACRÓNIMOS AG CA CD CSD CONV CX CFE DX FV H2 IIE MG ON/OFF PID RMSE RSP SHGE SOC TSK VCA W p Aerogenerador(es). Corriente alterna. Corriente directa. Controlador supervisorio difuso. Controlador supervisorio convencional. Conexión Comisión Federal de Electricidad Desconexión Fotovoltaico(s) Modelo Hybrid2. Instituto de Investigaciones Eléctricas Motogenerador. Encendido/Apagado. Proporcional Integral Derivativo. Error cuadrático medio (del inglés Root Mean-Square Error) Radiación solar en el plano de los arreglos FV. Sistema(s) Híbrido(s) de Generación Eléctrica Estado de carga (de las siglas en ingles, state of charge) de una batería o de un banco de baterías. Takagi-Sugeno-Kang. Volts en corriente alterna. Watts pico (potencia máxima). xi

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23 SIMBOLOGÍA a Parámetro de ajuste de la curva I-V. a ref Parámetro de ajuste de referencia de la curva I-V. a i Constantes que dependen de la curva de potencia de un aerogenerador. B Presión barométrica en mbar. b i Constantes que dependen de la curva de potencia de un aerogenerador. B out Constante de relación entre la potencia de entrada y salida del inversor. C Capacidad de la batería. C AG Línea de control ON/OFF de un AG o de los 5 manejados en forma conjunta. C AG_AUX Línea de control auxiliar ON/OFF de un aerogenerador. C AG 1-5 Líneas de control ON/OFF de los 5 aerogeneradores. C CNP Línea de control ON/OFF de las cargas no prioritarias. C FV Línea de control ON/OFF de un arreglo FV o de 4 manejados en conjunto. C FV1-4 Líneas de control ON/OFF de los 4 arreglos FV. C FV1 Líneas de control ON/OFF del arreglo FV 1. C FV2 Líneas de control ON/OFF del arreglo FV 2. C FV3 Líneas de control ON/OFF del arreglo FV 3. c i Constantes que dependen de la curva de potencia de un aerogenerador. C i Coeficientes utilizados en el cálculo de la eficiencia del inversor. C INV Línea de control ON/OFF del inversor. C MG Línea de control ON/OFF del motogenerador. C MG_1 Línea de control auxiliar ON/OFF del motogenerador. CT Contador de períodos de 10 minutos. C 10 Capacidad de la batería en un régimen de descarga de 10 horas. DX AG Número de desconexiones de un aerogenerador. DX AG 1-5 Número de desconexiones de los 5 aerogeneradores. FF Factor de forma de una curva I-V de un panel FV. G T Radiación solar en el plano del panel fotovoltaico. GT,ref Radiación solar de referencia en el plano del panel FV (1000 W/m 2 ). I Corriente de operación. En el caso de la batería, positiva para la carga y negativa para la descarga I L Corriente fotogenerada en el modelo equivalente de un panel FV. I L,ref Corriente fotogenerada de referencia. I 10 Corriente de carga en el régimen C 10. I mp Corriente en el punto de máxima potencia. Imp,ref Corriente de referencia en el punto de máxima potencia. I o Corriente de saturación del diodo en el modelo equivalente de un panel FV. Corriente de saturación de referencia del diodo. I o,ref xiii

24 Simbología xiv I sc Corriente de corto circuito de un panel FV. I sc,ref Corriente de corto circuito de referencia de un panel FV. N Número de datos de las series a simular. NC MG Nivel de combustible del motogenerador. N s Número de celdas por panel FV (entre 30 y 36). p Potencia instantánea demandada por la carga. P Potencia de un módulo o arreglo FV. P AG Potencia de un aerogenerador o potencia de los 5 aerogeneradores manejados en forma conjunta. P AG 1-5 Potencias de los 5 aerogeneradores. P c Potencia del aerogenerador en función de la densidad del aire de un sitio. P CNP Potencia de las cargas no prioritarias. PCP Potencia de las cargas prioritarias. P EAG Potencia estimada de un aerogenerador. P EFV Potencia estimada de un a rreglo FV. P FV Potencia generada por un arreglo FV o potencia de los 4 arreglos manejados en forma conjunta. P FV1-4 Mediciones de potencia de los 4 arreglos FV. P MG Potencia de salida del motogenerador. Pin Potencia de entrada del inversor. P mp Potencia pico o máxima de un panel FV. P n Curva de potencia de un aerogenerador. P NL Potencia sin carga del inversor. P out Potencia de salida del inversor. P R Potencia de salida nominal del inversor. P w (v) Potencia de salida del aerogenerador a la velocidad de viento v. Q Carga recibida o suministrada por el banco de baterías en el tiempo t i. RMSE Error cuadrático medio (del inglés Root Mean-Square Error) R s Resistencia serie en el modelo equivalente de un panel FV. R s,ref Resistencia serie de referencia en el modelo equivalente de un panel FV. R sh Resistencia shunt en el modelo equivalente de un panel FV. RSP Radiación solar en el plano de los arreglos FV. SOC Estado de carga. SOC 1 Estado de carga en el tiempo 1. SOC 2 Estado de carga en el tiempo 2. T Temperatura ambiente en K. t Temperatura ambiente en C. T BB Temperatura externa del banco de baterías. T c Temperatura de superficie de una celda o de un panel FV. T c,ref Temperatura de referencia de una celda o de un panel FV (25 C). t i Tiempo de interés. v Velocidad de viento. V Voltaje de operación. V BUS Voltaje del bus de CD. v c Velocidad de inicio de generación de un aerogenerador. V c Voltaje de la batería durante la carga. Voltaje de la batería durante la descarga. V d

25 Simbología xv V ec Voltaje final de carga. v f Velocidad de salida de un aerogenerador v ff Velocidad de supervivencia de un aerogenerador. V g Voltaje de la batería para el comienzo del gaseo. V mp Voltaje en el punto de máxima potencia. Vmp,ref Voltaje de referencia en el punto de máxima potencia v n Velocidad nominal de un aerogenerador. V nom Voltaje nominal. V oc Voltaje de circuito abierto de un panel FV. V oc,ref Voltaje de circuito abierto de referencia de un panel FV. X Serie de datos medidos de una variable. Y Serie de datos de una variable simulada.?t Variación de la temperatura de la batería tomando como referencia 25 C. e Energía de salto de banda (para el silicio 1.12 ev y 1.35 ev para el arseniuro de galio).? c Eficiencia de la batería a la carga.? R Eficiencia nominal del inversor. µ I,sc Coeficiente de temperatura de corriente de corto circuito. µ V,oc Coeficiente de temperatura de voltaje de circuito abierto. ρ Densidad del aire de un sitio. ρ ref Densidad de aire de referencia (comúnmente Kg/m 3 )

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27 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 ANTECEDENTES Actualmente, gran parte de la población del mundo vive todavía sin una fuente de energía eléctrica (Lemos, 2000). Más de mil millones de personas en países en vías de desarrollo no cuentan con un suministro de electricidad o éste no satisface sus requerimientos. Generalmente, es el resultado de lo aislado y fragmentado de la geografía (Filipinas, por ejemplo está formado por 7000 islas), del alto costo de la instalación y del mantenimiento de una red convencional de gran escala (Newnham y Baldsing, 2002). La situación en México no es diferente. Hasta el año 2000, cerca de 83,000 comunidades carecían del servicio de energía eléctrica (Censo INEGI, 2000) y se estima que a la fecha la situación no ha mejorado sustancialmente. El gran tamaño del territorio nacional y lo diseminado de sus comunidades hacen difícil llevar a todas ellas la red eléctrica convencional, debido al alto costo que representa y principalmente a lo alejadas de la red. El suministro de energía eléctrica a comunidades remotas se ha realizado con plantas térmicas, usualmente generadores diesel. Sin embargo, los costos de generación son demasiado elevados por el costo del combustible y por la logística asociada a su suministro, así como por el costo de mantenimiento de las plantas generadoras. El aprovisionamiento de energía para áreas remotas requiere de una solución diferente a las tradicionales formas de electrificación (Lemos, 2000). El uso de las energías renovables resulta atractivo para la mayoría de los lugares que carecen de este servicio. Las formas más viables para electrificar dichas comunidades son a través de: sistemas fotovoltaicos (FV) aislados (figura 1.1), sistemas híbridos de generación eléctrica (SHGE) (figura 1.2) o generadores diesel (figura 1.3). En México, existen diversos programas gubernamentales (a través de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), gobierno federal y gobiernos de los estados) y esfuerzos de las propias comunidades enfocados a electrificar algunas de ellas, sobretodo las más alejadas 1

28 Introducción 2 de la red eléctrica. La mayoría de dichos programas utilizan sistemas fotovoltaicos (FV) domésticos que se instalan en comunidades donde las casas se encuentran dispersas (alejadas entre ellas más de 50 metros) (figura 1.1). Figura 1.1. Sistemas fotovoltaicos aislados instalados en Oaxaca. Figura 1.2. Sistema híbrido eólico- fotovoltaico instalado en Pachuca, Hgo. Aunque los sistemas FV son muy útiles sólo pueden proporcionar la energía suficiente para fines de iluminación (2 o 4 lámparas que operan de 2 a 3 horas diarias) y para energizar alguna grabadora o televisor de baja potencia. También se pueden energizar algunos sistemas para proporcionar servicios a la comunidad tales como: telesecundarias, teléfonos satelitales y clínicas rurales entre otros. Los sistemas FV aislados mejoran la calidad de vida de las comunidades, sin embargo, esta mejoría podría ser más significativa si proporcionara una mayor cantidad de energía a través de SHGE o generadores diesel. La energía también se podría utilizar para energizar algún proceso productivo en la comunidad.

29 Introducción 3 Figura 1.3. Máquina diesel instalada en el SHGE de Xcalak, Q uintana Roo. Los SHGE incorporan más de un tipo de generación eléctrica, por ejemplo: fotovoltaica, eólica, microhidráulica y la basada en combustibles fósiles. Los SHGE pueden constituir la solución más económica en muchas aplicaciones y pueden proveer electricidad en forma confiable (IEA PVPS, 1998). La posibilidad de utilizar fuentes de energía lo cal, es decir, fuentes de energía renovables (sol, viento, flujo de agua, biomasa, etc.) es una solución atrayente desde el punto de vista económico y logístico. Estas fuentes se pueden encontrar casi en cualquier parte, incluidos los lugares remotos (Lemos, 2000). Además, la electrificación con SHGE es ideal en comunidades en donde las casas se encuentran relativamente cerca entre ellas, de manera que se pueda instalar en la comunidad una red eléctrica para energizar la mayor parte de las casas. Considerando que los SHGE podrían resolver en buena medida el problema de abastecimiento de energía eléctrica en los lugares remotos, los trabajos enfocados al desarrollo de estos sistemas tienen una importancia considerable. En los últimos años el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha realizado trabajos para el diseño y desarrollo de SHGE de pequeña capacidad. En 1996 se realizó la integración de un SHGE eólico-fotovoltaico, constituido principalmente por aerogeneradores desarrollados en el IIE y módulos fotovoltaicos comerciales. Hacia finales de 1999, el IIE realizó la instalación de dicho sistema en la ciudad de Pachuca, Hgo. (Flores et al, 2000). Posteriormente, se realizó el monitoreo y evaluación de la operación del sistema (Mejía et al, 2001). Dentro de los trabajos realizados en el IIE para la integración del SHGE, se realizó el diseño y construcción de un control electrónico para dicho sistema (Lagunas y Borja, 1999). Posteriormente, se llevó a cabo una optimización del algoritmo de control bus cando mejorar la operación del sistema (Lagunas et al, 2001). El desarrollo del nuevo algoritmo estuvo basado en la experiencia, más que en una técnica de control. Este trabajo de tesis busca continuar con el desarrollo de controladores para SHGE incorporando alguna técnica de control avanzado.

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