Control de sistemas híbridos Medición de parámetros de interés (instrumentación de sistemas híbridos) Javier Lagunas M. 14 de noviembre de 2001

Configuración de un sistema híbrido Banco de baterías Arreglos fotovoltaicos Control electrónico Carga Aerogeneradores Inversores Red eléctrica Generador diesel o similar

Funciones del control Proteger el banco de baterías De sobrecarga cuando está al 100% de estado de carga Sobredescarga del banco de baterías cuando su estado de carga es bajo Conectar y desconectar los diferentes elementos del sistema con objeto de administrar la generación eléctrica solar, eólica, etc. y del grupo electrógeno Monitoreo de las variables (adquisición de datos)

Puntos deseados en el control para la operación óptima del sistema híbrido Maximice la generación solar, eólica, etc. Reduzca al mínimo la generación del grupo electrógeno Reduzca las pérdidas por conversión de energía eléctrica a química y viceversa. Asegure la continuidad en la energización de la carga y Disminuya al máximo el autoconsumo de energía por parte del control

Diversos tipos de controles: Diseño dedicado expresamente para el sistema híbrido (desarrollado a base de tarjetas electrónicas para manejar los relevadores (mecánicos o de estado sólido) contenidos en un tablero de poder (tipo 1). Diseño igual al anterior pero con capacidad de adquisición de datos (tipo 2). Integración de un control para el sistema hibrido basado en un sistema comercial (tipo 3). Integración de un control para el SH con capacidad de adquisición de datos basado en un sistema comercial (tipo 4) Problemas encontrados en los controles tipo 2: Los desarrollos propios son difíciles de reparar, solo el fabricante puede hacerlo (tipo 1). El control tiene una capacidad reducida para el monitoreo de variables. Poca capacidad para el almacenamiento de información. Comunicación permanente con una computadora personal (con mayor tendencia a fallar).

Control electrónico desarrollado en el IIE (tipo 4): (CON ADQUISICIÓN DE DATOS) Sensores de corriente (generadas, consumidas y neta del banco de baterías) Estado de los relevadores y medición del voltaje del banco de baterías Fuente de alimentación Sensores Climatológicos Tarjetas manejadoras de relevadores Hacia Aerogeneradores y Arreglos Fotovoltaicos Hacia Cargas del sistema Relevadores para control de aerogeneradores y arreglos fotovoltaicos Relevadores para control carga

Especificaciones para el desarrollo del control Integración con base en un sistema comercial Capacidad de adquisición de datos y almacenamiento de información (un mes por lo menos) Bajo consumo de corriente Facilidad de programación para poder desarrollar y probar diferentes algoritmos para la administración de la generación y el despacho de carga: Maximizar la generación alimentando directamente las cargas con las fuentes de generación, para evitar pérdidas por conversión a energía electroquímica. Integración acorde con la capacidad del sistema híbrido tanto en costo, tamaño, confiabilidad y autonomía, así como en la robustez en su integración física. Utilización de relevadores mecánicos para evitar caída de voltaje (estado sólido). Relevadores de dos polos, dos tiros, con capacidad de 25 A @ 250 V.

Criterios para el desarrollo del algoritmo de control El control detecta y saca de operación la fuente de generación que ha llevado al banco de baterías a un nivel completo de estado de carga Una vez que los aerogeneradores son frenados, el control considera el patrón de viento del sitio de instalación del sistema para reconectarlos y disminuir la corriente de excitación (corrientes de autoconsumo) Después que los arreglos fotovoltaicos han salido de operación, el control considera periódicamente la corriente demandada por la carga y reconecta los arreglos fotovoltaicos, uno por uno, según sea la magnitud de la corriente demandada La reconexión de los arreglos fotovoltaicos, una vez que han salido de operación, se realiza al finalizar el día solar, para disminuir la pérdida innecesaria de energía por autoconsumo pero sobretodo para garantizar que el banco se empezará a cargar al iniciar el día solar

Criterios para el desarrollo del algoritmo de control El control electrónico lleva a cabo las acciones de control para la operación automática del motogenerador El control realiza la adquisición de datos de las principales variables del sistema híbrido El control conmuta las señales de voltaje para la excitación de los aerogeneradores

Medición de parámetros de interés (instrumentación de sistemas híbridos)

Pasos para instrumentar un sistema híbrido: Identificar las variables a medir Integrar el sistema de adquisición de datos (SAD) Realizar el programa del sistema de adquisición de datos Realizar pruebas del SAD antes de su instalación Realizar la instalación y verificar la operación en el SH Operar el SAD durante el período de instrumentación

La instrumentación de sistemas híbridos se ha basado en: Norma: IEC 61724 Photovoltaic system performance monitoring – Guidelines for measurement, data exchange and analysis, 1998-11. Norma: IEC 61400-12, Wind turbine generator systems – Part 12: Wind turbine power performance testing. 1998-02. Experiencia del IIE

Identificar las variables a medir Banco de Banco de T BB baterías baterías SISTEMA HIBRIDO I I SB EB P P SB EB V B RSP RSH V , I , V , I , P TA FV FV P , T Control Control C C C Arreglos FV FV electrónico electrónico Carga fotovoltaicos del sistema del sistema V Aerogeneradores I VV I , P I , P , P V , I , P EI EI DV ER ER RER G G G V R Inversor Red eléctrica Red eléctrica VV , DV G G I , P I , P , P SI SI SR SR RSR Generador Generador V , I , P D D D diesel o diesel o similar similar

Lista general de las variables a medir Símbolo Unidades Climatológicas Irradiancia solar en el plano de los paneles RSP W/m 2 Irradiancia solar en el plano horizontal RSH Temperatura ambiente TA °C Velocidad del viento VV m/s Dirección del viento DV grados N Arreglos foto voltaicos Voltaje de salida de los arreglos V FV Corriente de salida de los arreglos I A Potencia de salida de los arreglos P W Temperatura de los paneles fotovoltaicos T °C Aerogeneradores Voltaje de salida de los aerogeneradores V G Co rriente de salida de los aerogeneradores I A Potencia de salida de los aerogeneradores P W Velocidad del viento a la altura de los AGs VV m/s Dirección del viento a la altura de los AGs DV grados N Banco de baterías Voltaje de operación del banc o de baterías V B Corriente de entrada al banco de baterías I EB A Corriente de salida del banco de baterías SB Potencia que entra al banco de baterías P W Potencia que sale del banco de baterías Temperatura del banco de baterías T BB °C  

Lista general de las variables a medir (continuación) Símbolo Unidades Carga Voltaje de la carga V C Corriente hacia la carga I A Potencia entregada hacia la carga P W Inversor Voltaje del inversor V I Corriente de entrada al inversor EI A Corriente de salida al inversor SI Poten cia de entrada al inversor P W Potencia de salida al inversor Fuente de respaldo (grupo electrógeno) Voltaje de salida V D Corriente de salida I A Potencia de salida P W Red eléctrica Voltaje de línea de la red R Corriente entrega da a la red ER Corriente consumida de la red I A SR Potencia real entregada a la red P W ER Potencia reactiva entregada a la red P VAR RER Potencia real consumida de la red P W SR Potencia reactiva consumida de la red P VAR RSR

Elaborar la lista de las variables a medir en el sistema híbrido: Una vez que las variables han sido identificadas (apoyándose en la figura y en la lista general), deberá elaborarse la lista con la variables a medir en nuestro SH La lista deberá contener: Nombre de la variable Símbolo Unidades de medición Rango de medición Exactitud requerida en la medición

Integración del SAD Equipo de medición Operación desatendida, automática y aislada (no se recomienda con PC) Capacidad de medición, resolución, memoria autocontenida. Capacidad de control Confiabilidad y autonomía. Precisión en las mediciones Software de soporte para programación, recuperación de información, etc. Facilidad de programación y conexión de sensores de diferentes marcas Costo y servicio de soporte (manuales). Marca reconocida. Accesorios del equipo de medición Fuente ininterrumpible para garantizar operación continua Paneles solares (garantizar operación en ausencia de sol) Expansor de canales de entrada (multiplexor) Gabinete para instalación en exteriores que lo proteja de humedad, corrosión y polvo Módulo para almacenamiento de información (garantizar autonomía de un mes de información) Capacidad de telecomunicación

Integración del SAD (continuación) Anemómetros (0.5 m/s). Veletas (5°). Bajo costo. Piranómetros (error típico 3%). Sensor de temperatura ambiente (sonda basada en un termistor) Sensores de temperatura de panel y banco de baterías (termopares adhesivos tipo T) Transductores de corriente, voltaje y potencia. Transductores no invasivos Aislamiento entre la entrada y la salida Sensores de corriente (shunts) 10A, 50A, 500A con salida de 50 mV Invasivos y no tienen aislamiento Presentan un poco de problema para integrarlos a los SH Mediciones de potencia en corriente directa (calculadas a partir de las muestras instantáneas de voltaje y corriente y no a través del producto de los promedios obtenidos). Gabinete para instalar los transductores de corriente, voltaje y potencia que los proteja contra corrosión, polvo y humedad.

Integración del SAD (continuación) Manual del equipo de medición Manuales de los sensores en donde se especifique su conexión, excitación, señal de salida Hojas de calibración de los sensores y del equipo de medición. Elaborar la lista con los elementos que integrarán el SAD (equipo de medición, accesorios y sensores) Elaborar el diagrama de conexiones de los sensores en el SAD Conexión directa al equipo de medición Conexión al expansor de puertos

Programa del sistema de adquisición de datos Intervalo de muestreo Velocidad y dirección del viento cada 2 segundos Resto de las variables cada 10 segundos Programar la medición de cada uno de los sensores de acuerdo al diagrama de conexiones realizado Calcular las potencias en corriente directa (con las muestras instantáneas de corriente y voltaje) Separar las muestras de corriente y potencia tanto de entrada como de salida (banco de baterías, red eléctrica, etc.) Generar los datos de salida cada 10 minutos (se puede hacer cada hora). Elaborar la lista de los datos a generar en el SAD cada 10 minutos

Lista de datos a generar cada 10 minutos Variable Dato generado Símbolo Unidades Fecha (día juliano) corriente - Hora (hora y minutos) Irradiancia en el plano de los paneles promedio RSP W/m 2 Irradiancia horizontal RSH Temperatura ambiente promedio TA °C Veloci dad del viento VV m/s Dirección del viento resultante vectorial DV grados N Desviación estándar de la velocidad del viento desviación estándar s Voltaje de salida de los arreglos V FV Corriente de salida de los arreglos promedio I FV A Potencia de salida de los arreglos P W Temperatura de los paneles fotovoltaicos T °C Voltaje de salida de los aerogeneradores V G Corriente de salida de los aerogeneradores promedio I G A Potencia de salida de lo s aerogeneradores P W Velocidad del viento a la altura de los aerogeneradores VV m/s Dirección del viento a la altura de los aerogeneradores resultante vectorial DV grados N Desviación estándar de la velocidad del viento desviación estándar s Voltaje de operación del banco de baterías promedio V B Corriente de entrada al banco de baterías I EB A Corriente de salida del banco de baterías SB Potencia que entra al banco de baterías P W Potenci a que sale del banco de baterías Temperatura del banco de baterías promedio T °C BB

Lista de datos a generar cada 10 minutos (continuación) Variable Dato generado Símbolo Unidades Voltaje de la carga promedio V C Corriente hacia la carga I A Potencia entregada a la carga P W Potencia reactiva entregada hacia la carga RC VAR Voltaje del inversor promedio V I Corriente de entrada al inversor EI A Corriente de salida del inversor SI Potencia de entrada al inversor P W Potencia de salida del inversor SI W Voltaje de salida del generador diesel o similar promedio V D Corriente de salida del generador diesel o similar I A Potencia de salida del generador diesel o similar P Tiempo de operación del generador diesel o similar totalizado t OP minutos Voltaje de línea de la red eléctrica promedio V R Corriente entregada a la red eléctrica I ER A Corriente consumida de la red eléctrica SR Potencia real entregada a la red eléctrica P W Potencia reactiva entregada a la red eléctrica RER VAR Potencia real consumida de la red eléctrica promedio P SR W Potencia reactiva consumida de la red eléctrica RSR VAR Velocidad del viento a 10 metros máximo VV m/s Velocidad del viento a la altura de los aerogeneradores G Corriente de salida de los aerogeneradores I A Potencia de salida de los aerogeneradores máximo P W G Voltaje de operación del banco de baterías máximo V V B Voltaje de operación del banco de baterías mínimo V V B

Pruebas del SAD antes de su instalación (verificación de su funcionamiento) Integrar físicamente el SAD (conectar el equipo de medición, accesorios y sensores) Cargar el programa de aplicación especifica en el equipo de medición. Verificar que mida correctamente cada una de las variables. Comparar con: Multímetros Amperímetros de gancho Analizadores de potencia o demanda eléctrica Otros sensores Revisar que los equipos con los que se comparen las mediciones estén con calibración vigente Verificar que se graben todos los datos correctamente Detectar errores de programación Detectar errores de conexión Detectar problemas de ruido (aterrizar el blindaje de los cables del lado del equipo de medición)

Instalación del SAD Los gabintes deben estar fijos y colocados a la menor distancia de los sensores para evitar problemas de ruido, caidas de voltaje en cables largos y evitar una mala instalación. El piranómetro para medir en el plano de los paneles debe estar lo más próximo a ellos. El sensor de temperatura ambiente debe estar en el exterior y protegido contra la radiación directa del sol. Los anemómetros y las veletas deben estar libres de obstáculos a su alrededor para evitar turbulencia en ellos, de preferencia en una torre expresamente para ellos. Cuando se conecten shunts deberán colocarse en la terminal negativa de los voltajes, cuando el equipo de medición así lo requiera. Revisar rango de medición del equipo. Numerar cables para su identificación para facilitar eventos de conexión y desconexión. Deberá usarse tubería conduit para evitar lo mayor posible algún daño a los cables. En donde no sea posible poner tubería, deberán colocarse cinchos plásticos, resistentes a los rayos ultravioleta donde así sea requerido.

Operación del SAD Recuperar los datos de preferencia cada mes. Siempre que sea posible, en los eventos de recuperación deberá revisarse el SAD para detectar problemas en el equipo de medición y en los sensores. Cada archivo generado deberá estar formado por: el nombre del lugar donde está instalado el sistema híbrido número consecutivo del evento de recuperación Deberá llevarse un control sobre los archivos de datos que se vayan generando haciendo un respaldo en diskette o disco compacto. Deberá llevarse una bitácora en el SH en donde se reporten eventos aleatorios (fallas, reparaciones, cambio de sensores) y eventos programados (limpieza de módulos, colocación de sensores calibrados, etc.) Deberá llevarse un control sobre los periodos de calibración de los sensores.