Jose Luis Villate ROBOTIKER (www.robotiker.com) Programa INTEK SGE - Sistema de Suministro y Gestión Energética para la mejora.

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1 Jose Luis Villate (joseluis@robotiker.es) ROBOTIKER (www.robotiker.com) Programa INTEK SGE - Sistema de Suministro y Gestión Energética para la mejora de su calidad Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22 de Julio de 2003

2 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 2 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro Motivación del proyecto SGE Objetivos Solución propuesta Resultados obtenidos Líneas de mejora Conclusiones Indice © ROBOTIKER

3 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 3 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Continuidad del suministro (Real Decreto 1955/2000)  Número y duración de las interrupciones  Interrupciones programadas e imprevistas  Tiempo de interrupción total: suma de todos los tiempos de interrupción durante un periodo determinado (no se acumulan las interrupciones menores de un minuto) Calidad del producto (características de la onda de tensión)  Frecuencia  Amplitud (variaciones lentas, variaciones rápidas, huecos de tensión, impulsos de tensión)  Forma de onda (distorsión armónica)  Simetría del sistema trifásico (desequilibrios y asimetrías)

4 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 4 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Características de la tensión suministrada por las redes de distribución (norma UNE-EN 50160)  Establece los intervalos de variación entre los que deben estar comprendidos los valores medidos durante periodos de tiempo especificados.  Menciona la probabilidad (menor del 5%) de que sean sobrepasados los intervalos anteriores  Para fenómenos imprevisibles (huecos de tensión, interrupciones y sobretensiones) proporciona únicamente valores indicativos de magnitudes y número de incidencias que pueden servir de referencia a la hora de decidir el punto de conexión de una instalación.

5 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 5 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Hueco de tensión:  Bajada brusca del valor eficaz de la tensión, seguida de un restablecimiento.  Si el valor eficaz baja por debajo del 1% del nominal se considera interrupción. Características: -Profundidad: % del valor nominal (  90% para ser considerado hueco) - Duración: Tiempo que el valor eficaz está por debajo del 90% del nominal

6 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 6 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro.  Las faltas se pueden producir tanto en las redes de transporte y distribución como en las instalaciones de usuarios. Normalmente son ocasionadas por descargas atmosféricas y cortocircuitos. Origen de los huecos de tensión:  Actuaciones de los sistemas de protección con automatismos de reposición para reducir la duración de interrupciones originadas por faltas en las redes de alimentación.

7 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 7 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Repercusión de los huecos de tensión:  Proliferación de sistemas de control electrónico y dispositivos de potencia en aplicaciones industriales, sensibles a este tipo de perturbaciones.  Importante impacto económico en industrias con procesos de producción críticos (papeleras, plásticos, líneas robotizadas, químicas…)

8 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 8 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Algunas estadísticas sobre huecos Fuente: Energuia Marzo/Abril 2000 Fuente:IBERDROLA La mayoría de los huecos (~ 90%) son de corta duración (< 0.5 s) La caída de tensión no suele bajar del 40% de la nominal (~ 85%)

9 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 9 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Otro punto de vista de la calidad de suministro:  Cargas no lineales introducen armónicos de corriente en la red eléctrica que pueden originar perturbaciones en la onda de tensión que afecten a otras cargas/usuarios. Normativa:  IEC-61000-3-2 (equipos de menos de 16A por fase)  Tiene carácter de estándar internacional  Distingue hasta 4 tipos de aparatos en función de utilización  Establece límites a cada armónico de corriente consumida según el tipo de aparato.  IEC-61000-3-4 (equipos de más de 16A por fase)  Se trata de una especificación técnica (no es un estándar)  Contiene recomendaciones para los límites en el contenido de armónicos de corriente.

10 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 10 de 39 © ROBOTIKER 1. Calidad de Suministro. Límites de IEC-61000-3-4 y contenido de armónicos de un puente rectificador trifásico se 6 pulsos.

11 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 11 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro  Motivación del proyecto SGE Objetivos Solución propuesta Resultados obtenidos Líneas de mejora Conclusiones © ROBOTIKER

12 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 12 de 39 © ROBOTIKER 2. Motivación SGE. Oportunidad de mercado:  Desarrollo de equipos electrónicos sensibles a las perturbaciones de la tensión de suministro y en particular a los huecos de tensión e interrupciones breves.  Proliferación del uso de estos equipos para el control de procesos críticos, en los que una parada (aunque sea controlada) origina importantes pérdidas económicas. En definitiva: desfase entre calidad de suministro técnicamente posible y calidad requerida por algunos usuarios.

13 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 13 de 39 © ROBOTIKER 2. Motivación SGE. Oportunidad tecnológica:  Avances en electrónica de potencia:  Dispositivos de conmutación: mayor frecuencia, mayores potencias, menores costes, módulos compactos.  Nuevas topologías de conversión y estrategias de control  Avances en electrónica digital y de control:  Procesadores más potentes y orientados a estas aplicaciones (DSPs, FPGAs…)  Posibilidad de implementar algoritmos de control avanzados.  Electrónica analógica de alta precisión.

14 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 14 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro Motivación del proyecto SGE  Objetivos Solución propuesta Resultados obtenidos Líneas de mejora Conclusiones © ROBOTIKER

15 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 15 de 39 © ROBOTIKER 3. Objetivos SGE. Desarrollo de un sistema de electrónica de potencia que permita:  Garantizar la continuidad del suministro eléctrico a un conjunto de cargas críticas frente a huecos de tensión e interrupciones breves  duración < 4 segundos  Contribuir a la mejora de la calidad del suministro  cumpliendo la reglamentación internacional relativa a armónicos de corriente.  mejorando el factor de potencia y los posibles desequilibrios de consumo entre fases.

16 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 16 de 39 © ROBOTIKER 3. Objetivos SGE. Principales características del sistema a desarrollar:  Diseño modular, ampliable en rango de potencia:  desde decenas de kVA hasta varios MVA  Coste razonable en función de la potencia:  Objetivo: para grandes potencias (~1MVA) el coste tiene que ser sensiblemente inferior (20-40%) al de una “UPS on-line”  Basado en sistema de almacenamiento o fuente alternativa que permita suministrar grandes potencias en espacios cortos de tiempo.  Integración en un solo equipo de: “restaurador de tensión” y filtro activo.

17 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 17 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro Motivación del proyecto SGE Objetivos  Solución propuesta Resultados obtenidos Líneas de mejora Conclusiones © ROBOTIKER

18 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 18 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. UPS off-line interactiva

19 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 19 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. Régimen Normal 90% 10% 100%

20 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 20 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. Detección de falta (hueco o interrupción) 90% 10% 100% Aviso de falta en la red

21 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 21 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. Régimen de Respaldo. La tensión generada sigue sincronizada con la tensión de red (si la falta se ha debido a un hueco y no a una interrupción) 100% Supervisión de la red

22 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 22 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. Recuperación del suministro (y vuelta a régimen normal) 90% 10% 100% Aviso de recuperación 100%

23 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 23 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. Excepciones: by-pass manual por mantenimiento by-pass automático por fallo de interruptor estático 100%

24 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 24 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. MIE. Módulo Interruptor Estático Método de detección combinación de:  Detección por nivel de tensión eficaz  Detección por derivada del nivel de tensión eficaz  Comparación del valor instantáneo de tensión con patrón.

25 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 25 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. UAE. Unidad de Almacenamiento de Energía. Control PWM basado en DSP+FPGA Baterías de Pb ácido

26 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 26 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. Selección del sistema de almacenamiento (Pb ácido)  Buena relación coste/prestaciones  Tecnología suficientemente conocida (participación de un fabricante en el consorcio)  Fácil disponibilidad para el desarrollo de un prototipo de baja potencia (~15KVA)  No se descartan otras tecnologías (flywheels, Ucaps) para instalaciones con otras condiciones de potencia y tiempo

27 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 27 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. MT4C. Módulo de Transferencia de 4 Cuadrantes. Paralelo activo de N inversores para conseguir la potencia deseada Capaz de transferir Energía Activa y Reactiva en ambos sentidos e independientemente por fase: - Absorción parcial de armónicos de corriente de cargas no lineales. - Posibilidad de cierta compensación de cargas desequilibradas

28 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 28 de 39 © ROBOTIKER 4. Solución propuesta. MCG. Módulo de Control y Gestión + IHM. Interfaz Hombre-Máquina CONEXIÓN REMOTA BUS COM. (CAN) RED ENTRADA INTERFACE LOCAL PANEL SEÑALIZACION Y ALARMAS MIE: Interruptor Estático MT4C: Módulo de Transferencia de 4 Cuadrantes ECE: Elemento Cargador Energía UAE: Unidad Almacenamiento Energía MCG: Módulo Control y Gestión IHM: Interface Hombre-Máquina MIE: Interruptor Estático MT4C: Módulo de Transferencia de 4 Cuadrantes ECE: Elemento Cargador Energía UAE: Unidad Almacenamiento Energía MCG: Módulo Control y Gestión IHM: Interface Hombre-Máquina Control MIE Control MIE Control MT4C Control MT4C Control ECE Control ECE Control UAE Control UAE CARGAS CRITICAS CARGAS CRITICAS MCG IHM

29 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 29 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro Motivación del proyecto SGE Objetivos Solución propuesta  Resultados obtenidos Líneas de mejora Conclusiones © ROBOTIKER

30 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 30 de 39 © ROBOTIKER 5. Resultados obtenidos. Inicio de Proyecto: Enero 2001 Estado actual:  Desarrollo de un prototipo de baja potencia (15KVA)  Realizadas pruebas de conjunto en régimen normal  Pruebas de cambio de régimen, forzando transitorios.  Tiempo de transición en torno a 2ms.  Pruebas unitarias del MIE: detección de hueco ~1ms Pruebas del conjunto con generador de huecos:  Septiembre 2003 Pruebas en instalación piloto  Prototipo de mayor potencia  Inicio de las pruebas: Enero 2004  Estimación prevista ~6 meses

31 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 31 de 39 © ROBOTIKER 5. Resultados obtenidos. Cumplimiento con holgura de la especificación técnica IEC- 61000-3-4 en cuanto a armónicos de corriente por parte del módulo cargador de baterías.

32 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 32 de 39 © ROBOTIKER 5. Resultados obtenidos. Mejora del factor de potencia de una carga no lineal debido al funcionamiento como filtro activo del Módulo de Transferencia de 4 Cuadrantes en Régimen Normal. Compensación de cargas desequilibradas. El Módulo de Transferencia de 4 Cuadrantes puede absorver/ceder energía de forma independiente por fase.

33 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 33 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro Motivación del proyecto SGE Objetivos Solución propuesta Resultados obtenidos  Líneas de mejora Conclusiones © ROBOTIKER

34 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 34 de 39 © ROBOTIKER 6. Líneas de mejora. Líneas de trabajo abiertas:  Finalización de las pruebas con el prototipo de baja potencia.  Adaptación del sistema a potencias superiores en función de la instalación piloto que se elija.  Mejora del sistema de almacenamiento de energía utilizando otras tecnologías como los supercondensadores.

35 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 35 de 39 © ROBOTIKER 6. Líneas de mejora. Principales características de los supercondensadores:  Gran capacidad: en el mismo tamaño de un condensador electrolítico convencional, se puede llegar hasta 100F.  Tensión nominal baja del orden de 2,5V (existen módulos comerciales que se adaptan a tensiones superiores).  Corriente de fugas muy baja: gran cantidad de ciclos de carga y descarga, siendo su vida útil muy alta.  Carga y descarga rápidas en comparación con baterías, aunque algo más lenta que los condensadores  No precisan mantenimiento, a diferencia de las baterías.  Rango de temperatura muy amplio, funcionamiento en condiciones ambientales adversas.

36 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 36 de 39 © ROBOTIKER 6. Líneas de mejora. Utilización de supercondensadores en el sistema SGE  Desde el punto de vista técnico: las características anteriores hacen que los supercondensadores sean una técnica de almacenamiento interesante para esta aplicación.  Desde el punto de vista económico: se está produciendo una continua reducción de costes en este tipo de dispositivos que puede hacer viable su utilización frente a las baterías.

37 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 37 de 39 © ROBOTIKER Calidad de Suministro Motivación del proyecto SGE Objetivos Solución propuesta Resultados obtenidos Líneas de mejora  Conclusiones © ROBOTIKER

38 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 38 de 39 © ROBOTIKER 7. Conclusiones. Desfase entre nivel de calidad que técnicamente se puede suministrar con las actuales redes de transporte y distribución y la calidad requerida por ciertos procesos, máquinas o industrias. Se precisan soluciones técnicas que cubran este vacío, pero que además sean competitivas en coste. El sistema SGE trata de dar una respuesta a esta necesidad:  El objetivo ha sido optimizar las necesidades de almacenamiento y el diseño de los distintos elementos para dar respuesta al problema de los huecos de tensión y las interrupciones breves de suministro.  Adicionalmente esta solución permite contribuir en cierta medida a una mejora de calidad (corriente consumida, armónicos, factor de potencia, desequilibrio de fases).

39 Nuevas Tecnologías para la Calidad del Suministro. 22/07/03 Pág. 39 de 39 © ROBOTIKER 7. Conclusiones. Idea aproximada de Costes Baja potencia (15KVA):  ligeramente inferior a una UPS tradicional on-line (dimensionada para el 100% de la potencia e interrupciones del orden de minutos) Alta potencia (del orden de 1MW)  estimaciones en torno a una reducción de hasta el 80% de los costes de una UPS on-line.