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1er Taller de Aplicaciones de Electrónica de Potencia en el Manejo de Energías Renovables
CENIDET- Cuernavaca, Morelos
19 de Junio de 2015
Investigación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP)
Dr. Homero Miranda Vidales Dr. Mario Arturo González García Dr. Ricardo Álvarez Salas Dr. Víctor Manuel Cárdenas Galindo M.I. Alejandro Aganza Torres M.I. David Fraustro Castañeda M.I. Jorge Alberto Almaguer Hernández M.I. Jorge Isaac González Torres
Introducción
Facultad de Ingeniería • 4000 Alumnos
• 14 Programas de Licenciatura
(3800 estudiantes)
• Acreditaciones:
CACEI 100%
ABET 50%
• Doble Titulación:
Estados Unidos (CiTyU)
Francia (Ecoles Centrales)
2
Introducción
Investigación y Posgrado en la FI • 8 Programas de Posgrado
(200 Estudiantes)
• 8 Maestrías
• 4 Doctorados
• 680 graduados de Posgrado
3
Introducción
A la fecha se tienen 189 graduados del Posgrado en Ingeniería Eléctrica: • 144 graduados de maestría
• 45 graduados de doctorado
• 59 en áreas afines a electrónica de potencia
Estudiantes actualmente:
• 20 de maestría
• 19 de doctorado
Visitantes actuales:
• 1 Movilidad ECOS-NORD Francia
• 1 Investigador en sabático
• 1 Postdoctorante
• 1 Estudiante de doctorado UAQ
• Veranos de la ciencia
Posgrado en Ingeniería Eléctrica
4
Posgrado en Ingeniería Eléctrica
• 20o Aniversario de la Maestría y Doctorado en Ingeniería Eléctrica
Nivel Consolidado – CONACyT
Opciones terminales:
- Control Automático (1994)
- Materiales y Dispositivos (1994) Optoelectrónicos
- Electrónica de Potencia para Fuentes Alternas de Energía (por iniciar 2015)
5
Laboratorio de Calidad de la Energía Eléctrica y Control de Motores (LABCEECM)
• Creación:
Mayo 2003
• Actividades
- Investigación
- Tesis de Posgrado
6
PIE – Trabajo en Laboratorio
Investigación y desarrollo de proyectos
Financiamiento a través de fondos gubernamentales
Colaboración con industrias
Desarrollo de tesis de investigación
Producción científica y tecnológica
Interacción y colaboración con industrias de la región
Servicios y proyectos de calidad de energía
Formación de personal capacitado para industria (CFE, IIE, LAPEM)
Constante crecimiento en infraestructura
7
LABCEECM - Líneas de Investigación
• Electrónica de Potencia
• Máquinas Eléctricas
• Calidad de la Energía Eléctrica
• Convertidores Multinivel
• Fuentes Renovables de Energía
• Monitoreo y Diagnóstico de Fallas para
Máquinas Eléctricas y Convertidores de EP
• Sistemas Digitales para Convertidores de EP
8
LABORATORIO
LABCEECM Responsable: Dr. Víctor Cárdenas
Máquinas Eléctricas
Dr. Ricardo Álvarez
Dr. Felipe Pazos
Sistemas Digitales y Control Digital
Dr. Víctor Cárdenas
Dr. Ricardo Álvarez
Dr. Homero Miranda
Dr. Mario González
Electrónica de Potencia
Dr. Víctor Cárdenas
Dr. Homero Miranda
Dr. Mario González
Calidad de la Energía Eléctrica
Dr. Víctor Cárdenas
Dr. Homero Miranda
Dr. Mario González
Técnico Académico L. Ana Rivera
Filtros Activos
Rectificadores PWM
STATCOM, UPS, DVR
FPGAs and DSPs
Control No Lineal
Control Predictivo
Diagnóstico de Fallas
Diagnóstico de Fallas
Control Sensorless
Máquinas de Inducción Doblemente Alimentadas
CD/CD, CD/CA, CA/CA
Sistemas Fotovoltaicos
Inversores Multinivel
Diagnóstico de Fallas
Investigación y Desarrollo Servicios a la Industria
9
LABCEECM - Colaboraciones
• Universidad de Concepción (UdeC), Chile
• Universidad de Siegen, Alemania
• Institute National de l’Energie Solaire (INES), Francia
• Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
• Instituto Tecnológico de Aguascalientes (ITA)
• Universidad de Guanajuato (U de Gto.)
• Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET)
10
Convertidores Back-to-Back para Sistemas Eólicos
• Interconexión de dos sistemas de CA • Flujo bidireccional de potencia y control
Convertidor BTB y Máquina Doblemente Alimentada 12
Convertidores Modulares Aislados para Fuentes Alternas de Energía
Proyecto CONACyT - Problemas Nacionales
En colaboración con la Universidad de Siegen, Alemania Dr. Mario Pacas
* Tesis de maestría y doctorado asociadas
13
Objetivos:
Reducir número de etapas.
Aislamiento en alta frecuencia.
Incremento en la densidad de potencia - integración de múltiples fuentes de alimentación.
Un sólo núcleo magnético.
Nuevas tecnologías de semiconductores (SiC).
Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable
14
Esquema SISO (Single-Input Single-Output)
Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable
VDC
Utility Grid
AC/AC Converter
DC
HFAC
HF InverterPhotovoltaic Module
High-Frequency Transformer
· · HFAC
LFAC
·1 : n
·Ls
iDCC1
C2
Cin LM
+
-vg
+v1-
+vs-
+-
S1
S2
S3
S4
iLf
iLs
S1a
S1b
S2a
S2b
+v2-
Lf
15
Técnica de modulación de potencia
instantánea
Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable
-40-20
02040
(a)
v 1 , v
2 [V
]
0
0.05
0.1
0.15(b)
φ (t)
[t /
T s]
0
200
400
(c)
p* (t) ,
p (t
) [W
]
p* (t)p (t)
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-200
0
200(d)
V g (t)
[V]
Time [s]0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-3.5
0
3.5
i Lf (t
) [A
]
-40
-20
0
20
40(a)
v 1 , v
2 [V
]
-50
0
50
(b)
v 1 - v 2
[V]
0.0791 0.0791 0.0792 0.0792 0.0792 0.0792 0.0792-50
0
50(c)
i Ls [
A]
Time [s]
16
Validación experimental sistema SISO
Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable
17
Esquema MISO (Multiple-Input Single-Output)
Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable
·
1 : n·Ls1
iDC1
C1
C2
VDC1 CDC1LM
+
-vg
Lf
+v11-
+vs-
+-
S11
S12
S13
S14
iLfiLs1 S1a
S1b
S2a
S2b
+v12-
p(t)
·Ls2
iDC2
CDC2+v21-
+-
S21
S22
S23
S24
iLs2+v22-
VDC21 :
18
Validación experimental sistema MISO
Convertidores modulares para aplicaciones de energía renovable
19
Micro inversor Fotovoltaico con Enlace en HF para Compensación de Corrientes Armónicas Usando un
Tercer Puerto
Proyecto CONACyT – Problemas Nacionales
20
Solución Propuesta
Esquema de tres puertos propuesto
Sistema fotovoltaico - suministra potencia activa Cuando no existen las condiciones ambientales que permitan la generación, es factible agregar funciones de compensación al inversor
CD
CA
Alta frecuencia
Transformador alta frecuencia
CA/CDCompensación complementaria
Red eléctrica
Paneles solares
30 V (CD)
127 V rms (CA)
Usuarios
ConversiónCA/CA
21
Topología del microinversor propuesto
• Número reducido de componentes
• Aislamiento con transformador en alta frecuencia • Se agrega un puerto adicional
+
VPV
-
Io
IPV
Caux
S1S2
SA
SB
SC
SD
G
G
G
G
n1 n2
n3
+
VCD
-
Ic_aux
Salida inversor
+ Vo -
Convertidor CA/CA
Puerto de rizado
22
Resultados
Diagrama simplificado del microinversor conectado a la red
Micro-inversor
Llink=10mH
Red
R= 0.5 Ω, L= 0.1mH
P.V.
Puerto salida
+VPV
-
IPV
io icarga ired+vo-
Caux
Carga no lineal
+ VCaux -
vPCC 0
-2
2
0-5
-10
51015
48
5052
54
56
io
ired
VPV
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Tiempo (s)
Po = 100 W Po = 200 W Po = 50 W
THD = 0% THD = 25.3% THD = 6.7%
012345
580600620640660680
0
200
400
IPV
VCaux
po Pref PPV
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3Tiempo (s)
I-sal
I-red
Vpv
Ipv
V-Caux
Psal, Pref, Ppv
Banco de pruebas 23
Estudio de una Red Eléctrica HVDC Distribuida con Multigeneración
Proyecto de Investigación
financiamiento ingresos propios
En colaboración con Dr. José Espinoza Universidad de Concepción. Concepción, Chile
24
VSC-MVDC basado en convertidor modular multinivel
Convertidor multinivel modular como sistema de interconexión a una red convencional en CA.
Red eléctrica distribuida con multi-generación Objetivos: - Caracterización - Control predictivo GPC - Modulación - Dimensionamiento Generación
Eólica
G G
GeneraciónFotovoltaica
GeneraciónConvencional
Línea de Transmisión MVDC
Carga
Red Eléctrica
Carga
Red Eléctrica
MMC MMC
P(W)Q(VAR)
P(W)P(W) P(W)
P(W)Q(VAR)
Línea de Transmisión
MVDC
CargaMMC 2
Fuente deEnergía
MMC 1
Red Eléctrica
P(W) P(W)Q(VAR)
25
Convertidor modular multinivel
SMn
SM2
SM1
……
SMn
SM2
SM1
… …
R0
SMn
…
ua
db
db
db
ub
ub
ub
SMn
SM2
SM1
……
da
da
da
SMn
SM2
SM1
……
SMn
SM2
SM1
… …
db
db
db
ub
ub
ub
Ls
Red Eléctrica
L0
R0
L0
L0
R0
R0
L0
L0
R0
R0
L0
v1
ua
VC
D/2
VC
D/2
Características: o Frecuencias de conmutación bajas
o Tensión reducida en los dispositivos
o Bajo contenido armónico de salida
o Etapa de filtrado e interconexión muy pequeña o nula
o Conexión directa a la red
¤ Gran número de dispositivos
¤ Condensadores de los módulos de valor significativo
¤ Complejidad en control
26
Transferencia de potencia del MMC en un esquema back to back
Potencia activa
Potencia reactiva
Bus de CD
Corriente en el bus de CD
1cdi SM
ua
1
SM n
SMda1
SMdan
L0
L0
….
….
R0
R0
Ls
Red Eléctrica
ua
ua
Ls
Red Eléctrica
SM
ua
1
SM n
SMda1
SMdan
L0
L0
….
….
R0
R0
ua
ua
2cdi
a1Di
a1Ui
a2Di
a2Ui
0Cv
Tensión y corriente en el PCC1
Tensión y corriente en el PCC2
27
Trabajo en desarrollo
1. Control predictivo generalizado GPC.
2. Agregar puertos secundarios dentro del esquema de red distribuida, agregando convertidores multinivel como el NPC.
3. Probar el esquema bajo diferentes condiciones de redes eléctricas. Sags, swells, isla.
4. Generación de referencias de potencia a seguir por los diferentes VSC.
VSC1 VSC2
Coupling Section
Coupling Section
3φ
Transmission Line 3φ
VSC1Control
VSC2Control
S-PWMBlock
abc1i
abc2i
abc1m abc
2m
abc1v abc
2v
T1
T2
T3
T4
T1
T2
T3
T4
S-PWMBlock
PCC1 PCC2
2dcv2dcv∆
1dcv1dcv∆
abc1T abc
2T
Line1v Line
2vL ine
1fL ine
2f
GeneraciónEólica
G G
GeneraciónFotovoltaica
GeneraciónConvencional
Línea de Transmisión MVDC
Carga
Red Eléctrica
Carga
Red Eléctrica
MMC MMC
P(W)Q(VAR)
P(W)P(W) P(W)
P(W)Q(VAR)
28
Convertidor con Aislamiento en Alta Frecuencia - Aplicaciones de Energía Renovable
Proyecto PI (Industria-CONACyT)
En colaboración con Dr. José Espinoza Universidad de Concepción. Concepción, Chile
29
Convertidor con aislamiento en alta frecuencia
Interconexión de fuentes de generación a la red
Transformador de estado sólido (SST)
Fuente de Generación
Red
CA/CD CD/CA
Convertidor CD-CDAlta Frecuencia
Convertidor CA-CD-CA basado en topologías de puente completo.
30
• Estructura modular
• Se pueden incorporar diversas fuentes de generación CD o CA
• Puede ser implementado un sistema de gestión de energía en micro-redes
• Control independiente por módulo
• Sistemas de almacenamiento de energía
CD/CA
PanelesCon
Microinversor
Generador
Red Cargas en CA
DEESD
Convertidor con aislamiento en alta frecuencia
31
Convertidor con aislamiento en alta frecuencia
v3
v2
V cd1
V cd2
V cd3
L
LLi
Li
Lo
iHFi1
iHFi2
iHFo1
iHFo2
v1
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
2000
4000
6000
8000
10000
[W]
PTot
PBTB-SST 1
PBTB-SST 2
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
4000
6000
8000
[VA
R]
QiTot
QoTot
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V] [
A]
v2 i
oTot f
p=0.989
Seguimiento de potencia
Regulación de potencia reactiva
Corriente y tensión de salida
Tiempo(s) Potencia(kW) % Total de
Salida 0 3 30
0.033 6 60 0.066 9 90
32
Convertidores Modulares para Interconexión de Sistemas Fotovoltaicos a la Red en Media Tensión
Proyecto Cátedras CONACyT
UASLP 22 Cátedras aceptadas en 2014 3 en la Facultad de Ingeniería 1 asociada al proyecto Colaboraciones con G2Elab e INES, Francia Dr. Seddik Bacha, Dr. Tuan Tran Colaboración CENIDET - Dr. Carlos García
33
Convertidores Modulares para Interconexión de Sistemas Fotovoltaicos a la Red en Media Tensión
Objetivos • Interconexión directa a media tensión • Topología modular multinivel • Aislamiento en media frecuencia • Dimensionamiento • Selección del número de módulos • Simulación: 1MW, 13.2kV. Experimental: 10kW, 1.32kV • Control automático • Detección de fallas y reconfiguración
34
Transformador60Hz
480V
Y-Δ
CD-CDMPPT
+
−
CD-CA
13.2kV
Line
a de
Med
ia T
ensi
on 1
3.2k
V
−
−
+
+
Arreglo de panelesfotovoltaicos
Topología Modular Propuesta
• Filtro de enlace
pequeño • Confiabilidad e
ininterrupción • Directo a media
tensión
• Aislamiento en media frecuencia
• MPPT
• Repartición de arreglos de paneles
2cdC
1ScdcdD
Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles
1cdC
cdcdL
MPPT2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
9S
1D
2D
3D
4DTMF
2cdC
1ScdcdD
Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles
1cdC
cdcdL
MPPT2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
9S
1D
2D
3D
4DTMF
Modulo n
Modulo 1
Modulo 2
R
ed d
e M
edia
Ten
sion
filtL
35
Selección de número de módulos para un sistema de generación de 10kW, a 1.32kV
2 Módulos: mayor eficiencia al menor costo de semiconductores. - Con 2 módulos ante una falla saldría de operación. Para aplicar detección de fallas y reconfiguración Falla de 1 módulo: 4 módulos Falla de 2 módulos: 5 módulos El dimensionamiento de semiconductores para 3, 4 y 5 módulos es el mismo.
36
Simulación convertidor 10kW, a 1.32kV con 4 módulos
Voltaje de salida con 9 niveles M (N-1) + 1
0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12-2000
-1000
0
1000
2000
Vsa
l (V
)
0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12-20
-10
0
10
20
Isal
(A)
0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12200
300
400
500
Tiempo (s)
buse
s C
D (V
)
2cdC
1ScdcdD
Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles
1cdC
cdcdL
MPPT2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
9S
1D
2D
3D
4DTMF
2cdC
1ScdcdD
Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles
1cdC
cdcdL
MPPT2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
9S
1D
2D
3D
4DTMF
Modulo n
Modulo 1
Modulo 2
R
ed
de M
ed
ia T
en
sio
n
filtL
37
Corriente de salida Carga resistiva
Voltajes de los 4 buses de CD
• Mínimo que se puede instalar: 7 módulos (sin reconfiguración) Para detección de fallas y reconfiguración:
• Falla de 1 módulo: instalar 8 módulos • Falla de 2 módulos: instalar 9 módulos
Módulos 6 7 8 9 10 Potencia 166.67kW 142.86kW 125.00kW 111.11kW 100.00kW Voltaje 2,200.00V 1,885.70V 1,650.00V 1,466.70V 1,320.00V Corriente 75.75A 75.75A 75.75A 75.75A 75.75A V paneles 1,555.60V 1,333.40V 1,166.70V 1,037.10V 933.38V
Selección de número de módulos para un sistema de generación de 1MW, a 13.2kV
2cdC
1ScdcdD
Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles
1cdC
cdcdL
MPPT2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
9S
1D
2D
3D
4DTMF
2cdC
1ScdcdD
Transformador MFRectificador Inversor 60HzInversor MFConvertidor CD-CDPaneles
1cdC
cdcdL
MPPT2S
3S
4S
5S
6S
7S
8S
9S
1D
2D
3D
4DTMF
Modulo n
Modulo 1
Modulo 2
R
ed
de M
ed
ia T
en
sio
n
filtL
Por desarrollar: Detección de fallas - reconfiguración - control automático - sistema digital - validación simulación y experimental
38
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