9. Respuesta de un inversor en una bancada de pruebas.

Transcripción

1 9. Respuesta de un inversor en una bancada de pruebas. 9. Respuesta de un inversor en una bancada de pruebas. En esta sección evaluaremos el comportamiento de la bancada descrita en la sección 8 en la figura 75 y la respuesta de un inversor fotovoltaico frente a faltas de tensión. EL equipo DUT estará formado por un inversor de 500KW, y se utilizará un convertidor también de 500KW como generador de red y un convertidor de 100KW como rectificador. Primero evaluaremos la respuesta en un entrono de simulación por ordenador. Y en una segunda fase registraremos medidas del comportamiento real en una bancada de pruebas real. Vamos a realizar los mismos experimentos a nivel de simulación que a nivel experimental para poder comparar los resultados obtenidos. En particular, seleccionaremos algunas pruebas de las que se describieron en la tabla 1 en la sección 3, necesarias para la certificación del equipo frente a las normativas internacionales Resultados de simulaciones. Para elaborar las simulaciones se utilizará el entorno de simulación PSCAD v4.2. A continuación se mostrará el resultado de estas simulaciones, y observaremos el correcto funcionamiento de la bancada. 85

2 9.1 Resultados de simulaciones Generación de falta de tensión sin carga. Antes de comenzar caracterizaremos el comportamiento de la bancada de pruebas en vacío. Para ello generaremos dos faltas de tensión y registraremos las medidas de tensión obtenidas y su fiabilidad. En la figura 76 se muestra como ejemplo una captura de una falta trifásica 0,15p.u. de profundidad y 600ms de duración, y en la figura 104 se muestra una falta bifásica de 0,05p.u. de profundidad y 600ms de duración. Figura 76: Bancada sim. En vacío. Falta 3F. Tensión de red. Figura 77: Bancada sim. En vacío. Falta 2F. Tensión de red. A continuación mostramos los resultados esperados en la bancada ante una selección significativa de pruebas necesarias en las certificaciones de legislación internacional recogidas en la tabla 1. 86

3 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 1. Falta trifásica. P out = 0,9p.u. Figura 78: Bancada sim. Prueba 1. Falta 3F. Tensión de red. Figura 79: Bancada sim. Prueba 1. Falta 3F. Corriente de red. Figura 80: Bancada sim. Prueba 1. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 87

4 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 1. Falta bifásica. P out = 0,9p.u. Figura 81: Bancada sim. Prueba 1. Falta 2F. Tensión de red. Figura 82: Bancada sim. Prueba 1. Falta 2F. Corriente de red. Figura 83: Bancada sim. Prueba 1. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 88

5 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 2. Falta trifásica. P out = 0,2p.u. Figura 84: Bancada sim. Prueba 2. Falta 3F. Tensión de red. Figura 85: Bancada sim. Prueba 2. Falta 3F. Corriente de red. Figura 86: Bancada sim. Prueba 2. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 89

6 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 2. Falta bifásica. P out = 0,2p.u. Figura 87: Bancada sim. Prueba 2. Falta 2F. Tensión de red. Figura 88: Bancada sim. Prueba 2. Falta 2F. Corriente de red. Figura 89: Bancada sim. Prueba 2. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 90

7 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 3. Falta trifásica. P out = 0,9p.u. Figura 90: Bancada sim. Prueba 3. Falta 3F. Tensión de red. Figura 91: Bancada sim. Prueba 3. Falta 3F. Corriente de red. Figura 92: Bancada sim. Prueba 3. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 91

8 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 3. Falta bifásica. P out = 0,9p.u. Figura 93: Bancada sim. Prueba 3. Falta 2F. Tensión de red. Figura 94: Bancada sim. Prueba 3. Falta 2F. Corriente de red. Figura 95: Bancada sim. Prueba 3. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 92

9 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 4. Falta trifásica. P out = 0,2p.u. Figura 96: Bancada sim. Prueba 4. Falta 3F. Tensión de red. Figura 97: Bancada sim. Prueba 4. Falta 3F. Corriente de red. Figura 98: Bancada sim. Prueba 4. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 93

10 9.1 Resultados de simulaciones Prueba 4. Falta bifásica. P out = 0,2p.u. Figura 99: Bancada sim. Prueba 4. Falta 2F. Tensión de red. Figura 100: Bancada sim. Prueba 4. Falta 2F. Corriente de red. Figura 101: Bancada sim. Prueba 4. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 94

11 9.1 Resultados de simulaciones Evaluación de resultados. En los apartados anteriores hemos testeado el sistema ante una serie de huecos de tensión muy diversos (faltas trifásicas y bifásicas, de distintas profundidades y duraciones), mostrados en las figuras 78, 81, 84, 87, 90, 93, 96 y 99. En todos los casos el resultado por simulación es satisfactorio. Sin embargo, el aporte de reactiva a la red depende de varios factores, como el tipo de falta trifásica o bifásica, profundidad y duración. Por ejemplo, en la figura 80 apenas se inyecta reactiva, ya que la duración de la falta es de 200ms (ver figura 78), y el algoritmo está programado para inyectar reactiva a partir de los 150ms, aunque este tiempo es perfectamente configurable. Sin embargo, en la figura 92 el aporte se aprecia más claro, ya que la duración de la falta es bastante mayor. En cuanto a los huecos asimétricos, el comportamiento es siempre bastante parecido, ya que no se utiliza el inversor para inyectar reactiva y la única existente es debida a los condensadores presentes en el filtro AC (ver por ejemplo la figura 83 ó 99). En cuanto a los transitorios producidos en el inicio y despeje de la falta, en la normativa se permiten consumos puntuales debidos a efectos de la magnetización y desmagnetización de elementos tales como transformadores. En la figura 88 por ejemplo, se observa bastante bien la corriente instantánea en el inicio de falta. En esta figura se aprecia una corriente de cortocircuito en el inicio de la falta, seguido de la curva típica de desmagnetización del transformador. Este efecto se repite en todas las situaciones de forma más o menos pronunciada, como en la figura 82 o la 97. Por último indicar un pico de potencia reactiva que se aprecia en todas las gráficas en el despeje de la falta (ver por ejemplo 86). Este pico se debe a la recuperación de la tensión de red, al subir esta, y mantenerse constante la corriente (ver figura 85 para seguir con el mismo ejemplo). También se aprecia un pico de consumo de potencia activa en este instante, el cual se debe en parte a la magnetización de los inductivos, y por otro lado, al cambio de fase que sufre la tensión en la recuperación de la falta. 95

12 9.2 Resultados experimentales Resultados experimentales. Para la evaluacio n del inversor frente a faltas de tensio n se construyo la bancada de pruebas en unas instalaciones destinadas a tal efecto. En la figura 102 se muestra una vista general de la bancada y los componentes que la integran. Observar que se an adieron algunos componentes inductivos para eliminar efectos resonantes presentes en otras bancadas de ensayos del mismo tipo. Figura 102: Vista general de la bancada de ensayos construida. Para registrar las medidas se utilizo un analizador de red modelo Yokogawa WT3000, registrando medidas cada 50ms y colocando las sondas de tensio n en las tensiones de lı nea y una sonda de corriente de 2000A en cada fase de salida del convertidor DUT Generacio n de falta de tensio n sin carga. Antes de comenzar caraterizaremos el comportamiento de la bancada de pruebas en vacı o. Para ello generaremos dos faltas de tensio n y registraremos las medidas de tensio n obtenidas y su fiabilidad. En la figura 76 se muestra como ejemplo una captura de una falta trifa sica 0,15p.u. de profundidad y 600ms de duracio n, y en la figura 77 se muestra una falta bifa sica de 0,05p.u. de profundidad y 600ms de duracio n. 96

13 Figura 103: Bancada exp. En vacío. Falta 3F. Tensión de red. Figura 104: Bancada exp. En vacío. Falta 2F. Tensión de red. A continuación mostramos los resultados registrados de algunas pruebas realizadas en la bancada. Se han seleccionado las mismas pruebas realizadas que en las simulaciones de la sección 9.1, para poder comparar los resultados. Se trata de una selección significativa de las principales pruebas necesarias en las certificaciones de legislación internacional recogidas en la tabla 1. 97

14 Prueba 1. Falta trifásica. P out = 0,9p.u. Figura 105: Bancada exp. Prueba 1. Falta 3F. Tensión de red. Figura 106: Bancada exp. Prueba 1. Falta 3F. Corriente de red. Figura 107: Bancada exp. Prueba 1. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 98

15 Prueba 1. Falta bifásica. P out = 0,9p.u. Figura 108: Bancada exp. Prueba 1. Falta 2F. Tensión de red. Figura 109: Bancada exp. Prueba 1. Falta 2F. Corriente de red. Figura 110: Bancada exp. Prueba 1. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 99

16 Prueba 2. Falta trifásica. P out = 0,2p.u. Figura 111: Bancada exp. Prueba 2. Falta 3F. Tensión de red. Figura 112: Bancada exp. Prueba 2. Falta 3F. Corriente de red. Figura 113: Bancada exp. Prueba 2. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 100

17 Prueba 2. Falta bifásica. P out = 0,2p.u. Figura 114: Bancada exp. Prueba 2. Falta 2F. Tensión de red. Figura 115: Bancada exp. Prueba 2. Falta 2F. Corriente de red. Figura 116: Bancada exp. Prueba 2. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 101

18 Prueba 3. Falta trifásica. P out = 0,9p.u. Figura 117: Bancada exp. Prueba 3. Falta 3F. Tensión de red. Figura 118: Bancada exp. Prueba 3. Falta 3F. Corriente de red. Figura 119: Bancada exp. Prueba 3. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 102

19 Prueba 3. Falta bifásica. P out = 0,9p.u. Figura 120: Bancada exp. Prueba 3. Falta 2F. Tensión de red. Figura 121: Bancada exp. Prueba 3. Falta 2F. Corriente de red. Figura 122: Bancada exp. Prueba 3. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 103

20 Prueba 4. Falta trifásica. P out = 0,2p.u. Figura 123: Bancada exp. Prueba 4. Falta 3F. Tensión de red. Figura 124: Bancada exp. Prueba 4. Falta 3F. Corriente de red. Figura 125: Bancada exp. Prueba 4. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 104

21 Prueba 4. Falta bifásica. P out = 0,2p.u. Figura 126: Bancada exp. Prueba 4. Falta 2F. Tensión de red. Figura 127: Bancada exp. Prueba 4. Falta 2F. Corriente de red. Figura 128: Bancada exp. Prueba 4. Falta 2F. Potencia inyectada a red. 105

22 Evaluación de resultados. En la realización de las pruebas experimentales se ha testeado el sistema frente a los mismos tipos de faltas que se simularon en la sección 9.1 (por ejemplo se puede apreciar como los perfiles de tensión en la figura 78 y 105, o en la figura 99 y 126, son equivalentes), con lo que se puede establecer un paralelismo entre los resultados del modelo por simulación y los resultados experimentales. Los resultados en todos los casos experimentales son satisfactorios (tal y como ocurría en el análisis de los datos por simulación), aunque se pueden apreciar ligeras diferencias con respecto al modelo de la simulación. En las gráficas que reflejan la potencia inyectada en la red (figuras 107, 110, 113, 116, 119, 122, 125 y 128) no se aprecia consumo de potencia activa fuera de los transitorios iniciales de inicio y fín de la falta, si bien es cierto que el consumo de potencia activa en el inicio de la falta es en determinados casos algo superior. En cuanto a la inyección de potencia reactiva, sigue en general los patrones establecidos en el modelo por simulación, inyectando la máxima potencia reactiva posible durante el hueco de tensión si la falta es trifásica. En los resultados experimentales se aprecia, tal y como se apreciaba en resultados por simulación (ver por ejemplo la figura 98), picos de potencia transitorios en el despeje de la falta, tal y como se muestra en la figura 113 o 125. En cuanto a la corriente de cortocircuito y desmagnetización y magnetización del transformador no se aprecia con claridad en las capturas del Yokogawa. Se aprecian picos puntuales de corriente en el inicio de la falta, pero al ser medidas promediadas, carecen de exactitud en valores instantáneos. Sin embargo, tal y como se mostrará en la figura 130, dichos efectos aparecen y se manifiestan tal y como se mostraba en el modelo por simulación en gráficas tales como la figura

23 Resultados con otros inversores y registros instantáneos. A continuación vamos a mostrar resultados obtenidos con otros dos modelos de inversores fotovoltaicos de distinta potencia, para comprobar si los resultados son extrapolables a otros equipos. Así mismo, en estas pruebas fue posible registrar además una captura transitoria de las corrientes y tensiones de salida del inversor con un osciloscopio de cuatro canales de Textronik. Laprimera pruebaregistradase tratade un inversor de 30KW aalta carga, que se ve expuesto a una falta simétrica de gran profundidad. Los resultados de tensión, corriente y potencias registradas con el analizador de red y el osciloscopio se muestran desde la figura 129 a la 131. Figura 129: Bancada exp PV30. Falta 3F. Tensión de red. Figura 130: Bancada exp PV30. Falta 3F. Corriente de red. 107

24 Figura 131: Bancada exp PV30. Falta 3F. Potencia inyectada a red. Además,seobtuvoelregistrodeunapruebarealizadaabajacargafrenteaunafaltaasimétrica para la norma española. Los registros de tensión, corriente y potencia se muestran de la figura 132 a 134. Figura 132: Bancada exp PV30. Falta 3F. Tensión de red. Figura 133: Bancada exp PV30. Falta 3F. Corriente de red. 108

25 Figura 134: Bancada exp PV30. Falta 3F. Potencia inyectada a red. Por otro lado, se registran los resultados obtenidos de una prueba realizada a un inversor de 100KW a alta carga frente a una falta trifásica para la superación de la norma española (ver figuras 135 a 137). Figura 135: Bancada exp PV100. Falta 3F. Tensión de red. 109

26 Figura 136: Bancada exp PV100. Falta 3F. Corriente de red. Figura 137: Bancada exp PV100. Falta 3F. Potencia inyectada a red. 110

27 9.3 Conclusiones Conclusiones. Analizando en conjunto todos los resultados mostrados en esta sección se pueden extraer las siguientes conclusiones: Se ha obtenido un modelo por simulación fiable del inversor fotovoltaico bajo prueba, pudiendose verificar que el comportamiento transitorio y permanente ha sido parecido en las pruebas experimentales. Se ha obtenido una respuesta adecuada tanto a nivel de simulación como experimental del inversor fotovoltaico frente a un conjunto amplio de tipos de faltas de tensión. Se ha mostrado que los transitorios iniciales y finales de la falta de tensión están dentro de los márgenes permitidos. Se ha mostrado la validez del método para distintos equipos fotovoltaicos comerciales. 111