HERRAMIENTAS DE SIMULACIN DEMO PARA SU APLICACIN EN LABORATORIOS DOCENTES DE INGENIERA

ELCTRICA

Elvira Fernndez, Pablo Eguia, Inmaculada Zamora, A. Javier Mazn Departamento de Ingeniera Elctrica, Universidad del Pas Vasco

iepfehee@bi.ehu.es

RESUMEN En esta ponencia se presentan algunos de los programas de simulacin "demo" utilizados en las prcticas de laboratorio de la asignatura Tecnologa Elctrica de la Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao. En esta asignatura se estudian aspectos relacionados con la generacin, transporte y distribucin de energa elctrica. Estos programas "demo" son gratuitos y su utilizacin en la docencia tiene la doble finalidad de acercar al alumno al manejo de herramientas digitales y de proporcionarle la posibilidad de estudiar el funcionamiento del sistema elctrico de potencia en cualquier situacin, posibilidad que mediante tcnicas docentes tradicionales sera impensable debido a los elevados costes que ello supondra.

1. INTRODUCCIN Desde siempre el ingeniero elctrico se ha encontrado con numerosos problemas al analizar los sistemas elctricos de potencia. Esto se debe fundamentalmente, a su gran complejidad y a la dificultad de realizar ensayos "in situ" sobre dicho sistema. Como ayuda para la resolucin de estos problemas, se han desarrollado herramientas de simulacin digital que permiten reproducir, mediante ordenador, el comportamiento del sistema elctrico para as poder estudiar su respuesta ante diversas condiciones de funcionamiento. En general, para obtener cualquiera de estos programas de simulacin es necesario realizar una fuerte inversin econmica, y en el caso de la Universidad, rellenar un gran nmero de papeles que justifique dicho desembolso. Una alternativa a la adquisicin mediante pago de estas herramientas de simulacin es la utilizacin de programas "demo". Estos programas se pueden descargar gratuitamente de Internet y suelen funcionar con ciertas restricciones, pero an as son perfectamente vlidos. A continuacin se muestran las principales caractersticas de las herramientas de simulacin "demo" utilizadas en algunas de las prcticas de laboratorio de la asignatura Tecnologa Elctrica, en la Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao. A modo de ejemplo, los programas que se presentan son: la hoja de clculo RET Screen International, PVSYST, MaqSinV6.exe, PowerWorld, CYMTCC, CYMCAP, CYMGRD, CYMDIST y Neplan.

2. RET SCREEN INTERNATIONAL Retscreen permite analizar la viabilidad de diferentes tecnologas de energas renovables (elica, minihidrulica, fotovoltaica, biomasa,... ), permitiendo as reducir los costes, el tiempo y los errores asociados a la preparacin de los estudios de viabilidad preliminares. Este programa ha sido desarrollado por la compaa canadiense RET Screen International y se puede descargar gratuitamente, y sin ninguna restriccin en su utilizacin, en la direccin de Internet: http://retscreen.gc.ca.

Figura 1. RETScreen. El modelo de cada tecnologa esta desarrollado en una hoja de clculo de Excel, la cual a su vez est compuesta por una serie de hojas de clculo similares para todos los modelos. Por ejemplo, el modelo de la central minihidrulica consta de las siguientes hojas: la hoja de inicio Intro, desde donde se puede acceder al manual del programa, al resto de hojas y a una serie de informacin adicional disponible en Internet (Figura 1). En la hoja Energy Model se introducen las caractersticas bsicas del aprovechamiento y de los equipos electromecnicos, mostrando el programa la produccin anual estimada. Hidrology & Load, es la hoja donde se introducen las caractersticas hidrolgicas del aprovechamiento y las caractersticas de la demanda elctrica. En la hoja Equipment Data se introducen las caractersticas de la turbina y el estudio de los costes del proyecto se realiza en la hoja Cost Anlisis. En GHG Anlisis se puede realizar un anlisis sobre la reduccin de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al proyecto. En la hoja Fiancial Summary se efecta el anlisis financiero de la inversin necesaria para llevar a cabo el proyecto y en Project Cash Flow se muestra grficamente la variacin del flujo de ingresos y gastos durante el tiempo que dura el proyecto (Figura 1).

3. PVSYST Este programa permite realizar el diseo, simulacin y anlisis de datos de una instalacin fotovoltaica. El software ha sido desarrollado por la Universidad de Ginebra y la demo, disponible en la pgina http://www.pvsyst.com/, est totalmente operativa durante diez das, fecha a partir de la cual slo estn disponibles ciertas opciones, pero no limitan su aplicacin en el desarrollo de las prcticas. PVSYST permite realizar diseos a diferente nivel (Figura 2):

Preliminary design: diseo rpido y sencillo que permite dimensionar tanto una instalacin aislada, como conectada a la red.

Proyect design: realiza una simulacin detallada con valores horarios, que ayuda a definir el campo fotovoltaico y elegir correctamente los componentes.

Tools: proporciona una amplia eleccin de las herramientas solares.

Figura 2. PVSYST.

Por ejemplo, el nivel "Project design" permite al usuario:

Disponer de una base de datos de los componentes fotovoltaicos, y de posibles lugares donde ubicar la instalacin.

Indicar la orientacin del panel, eligiendo entre mltiples configuraciones, como orientacin nica, doble, automtica...

Definir el esquema de la instalacin. Si la instalacin est conectada a la red, el usuario debe introducir la potencia deseada y elegir el inversor y el mdulo fotovoltaico de la base de datos. Si el sistema es aislado el usuario primero tiene que definir su consumo eligiendo los electrodomsticos que tiene con su tiempo de operacin. Adems tiene que decidir los das de autonoma que tiene la batera.

Calcular tanto las sombras cercanas como las lejanas, permitiendo dibujar la geometra del sistema completo y mostrando las sombras que se producen en funcin de la posicin del sol.

Realizar la evaluacin econmica utilizando precios reales y condiciones de inversin en cualquier moneda.

El programa condensa los resultados ms significativos en tablas y grficas (Figura 2). Otra demo que permite simular y disear sistemas fotovoltaicos es PV*SOL, que se puede descargar de la pgina http://www.valentin.de/ y tiene restricciones en su utilizacin.

4. MAQSINV6.EXE Este programa permite simular el funcionamiento de un generador sncrono conectado a una red infinita. Ha sido desarrollado por el Departamento de Energa y Automatizacin de la Universidad de Sao Paulo y est disponible libremente en http://www.pea.usp.br/~epellini/download.htm.

Figura 3. MaqSinV6.

Actuando sobre la intensidad de excitacin que crea el campo magntico en el rotor y sobre la potencia de la turbina que mueve el rotor, permite al usuario observar el estado y evolucin de la mquina. Esta ventana de control, adems tiene otros tres botones:

Options: muestra los resultados de la simulacin. La primera visualizacin muestra a la derecha el diagrama animado de fasores, a la izquierda las variables de simulacin y debajo un diagrama de barras mostrando la cantidad de potencia activa y reactiva que genera la mquina. Tambin permite visualizar la posicin relativa de las fuerzas magnetomotrices en el rotor, en el estator y la resultante.

Simulation: permite elegir la forma de simular, continua o paso a paso. Graphics: muestra todos los grficos, como por ejemplo, el ngulo de

carga, el factor de potencia, la corriente en el estator, la velocidad del rotor...

5. POWER WORLD Su principal atractivo es que adems de resolver el problema de los flujos de carga y el despacho econmico, posee una interface grfica muy potente con la que se muestran los flujos de potencia en el sistema como flujos en movimiento, con flechas en color animadas, en las lneas de transmisin, cargas y generadores.

Figura 4. PowerWorld.

Esta demo se puede descargar gratuitamente de la pgina http://www.powerworld.com/downloads.html y tiene licencia educacional, estando todas las opciones del programa activadas con la nica limitacin de que slo permite estudiar sistemas de hasta 12 nudos. Este programa tiene dos modos de funcionamiento y cada uno tiene su propia barra de herramientas:

Edit Mode, que permite: o Crear un nuevo caso o Aadir nuevos componentes a un caso existente o Modificar la apariencia de los objetos, color, fuente,...

Run Mode, que permite: o Resolver el flujo de cargas o Visualizar la carga disponible o Simular el sistema de potencia en el dominio del tiempo o Realizar flujos de cargas ptimos o Generar curvas PV y QV o Realizar anlisis de faltas

6. CYMTCC El programa CYMTCC ha sido diseado por COGNICASE para realizar estudios de coordinacin de protecciones en redes radiales. Se puede descargar de la pgina http://www.cyme.com/espanol/downloads.shtml, pero su utilizacin est limitada, ya que no permite ni abrir, ni guardar nuevos casos, es decir, permite crear nuevos casos y analizarlos, pero no se pueden guardar. Contiene una base de datos de ms de 4,500 dispositivos de marcas norteamericanas, europeas y asiticas. Incluye interruptores de baja tensin (electromecnicos, de estado slido y de caja moldeada), fusibles, rels (electromecnicos y electrnicos) y reenganchadores (hidrulicos y electrnicos).

Figura 5. CYMTCC.

Algunas de sus principales caractersticas son: Permite la impresin en papel "log-log" (curvas solamente) o en papel

ordinario (curvas y cuadrcula). Tiene en cuenta las corrientes de falta que circulan entre fases y fase-

tierra en transformadores tringulo-estrella.

Permite un control sobre la escala de corriente, colores, sombreado de las curvas, ubicacin de la etiqueta de ID, el estilo de los bloques de ttulo, etc.

Presenta una gran f