Control e instrumentación de sistemas híbridos Javier Lagunas Mendoza 18 de octubre del 2000

Control del sistema híbrido (SH): Arreglos fotovoltaicos Aerogeneradores Control electrónico Generador diesel o similar Red eléctrica Carga Banco de baterías Inversores

Funciones del control del SH: Interconectar los diferentes elementos del sistema híbrido Administrar la generación eléctrica solar, eólica, etc. y del grupo electrógeno a través de la conexión y/o desconexión de las fuentes generadoras Se puede administrar la generación de manera que se aproveche cuando hay recurso disponible Controlar la conexión/desconexión de la carga dependiendo de la disponibilidad de energía en el banco de baterías Proteger el banco de baterías No sobrecargando el banco de baterías cuando éste está al 100% de carga No sobredescargando el banco de baterías cuando su estado de carga es bajo.

El control puede ser del siguiente tipo: 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 1):

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.

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

Lista general de las variables a medir  

Lista general de las variables a medir (continuación)

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

Lista de datos a generar cada 10 minutos (continuación)

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.

Control con capacidad de adquisición de datos del SH de Pachuca