Desarrollo de un simulador experimental de sistemas de potencia para estudiar el efecto de nuevas plantas solares Nombre: Daniel Ruiz Vega SEPI-ESIME-Zacatenco,

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1 Desarrollo de un simulador experimental de sistemas de potencia para estudiar el efecto de nuevas plantas solares Nombre: Daniel Ruiz Vega SEPI-ESIME-Zacatenco, IPN Sede Regional: Centro, Instituto Politécnico Nacional Fecha: 22 de octubre de 2014

2 Motivación Se está llevando a cabo la interconexión a los sistemas eléctricos de potencia de México de plantas de generación solares. Los estudios de interconexión de estas plantas son muy importantes y requeridos, debido a que se están instalando plantas solares grandes en el sistema de potencia de alta tensión, y se permite actualmente la instalación de plantas solares pequeñas en instalaciones comerciales y residenciales.

3 Motivación Para el diseño y la operación de los sistemas de potencia se emplean principalmente simuladores de computadora digital, aunque en la docencia y la investigación se emplean de manera complementaria muchos tipos de simuladores. En los programas de posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI- ESIME-Zacatenco se han desarrollado o adquirido todos los tipos de simuladores de sistemas de potencia.

4 Motivación El análisis del funcionamiento de este tipo de plantas requiere la implementación de laboratorios experimentales, como se han establecido en otras partes del mundo, con el objeto de: Desarrollar y validar modelos de las nuevas plantas para ser empleados en los programas que se utilizan para evaluar su efecto en el diseño y la operación de los sistemas eléctricos de transmisión y distribución. Servir como un sistema de referencia para probar prototipos de nuevos sistemas de control, monitoreo, inversores electrónicos, almacenamiento de energía y otros, requeridos actualmente para mejorar la operación de los sistemas eléctricos.

5 Motivación Al tener el sistema experimental, se puede realizar investigación para mejorar o crear pruebas con el objeto de determinar los parámetros de los componentes de la planta solar, o monitorear la condición de la planta. El proyecto es multidisciplinario y abarca sobre todo áreas de investigación en los campos de las ingenierías electrónica, eléctrica, de telecomunicaciones, de control y de computación. Además de ser muy útil en la investigación, un laboratorio de este tipo puede ser empleado para la docencia a nivel licenciatura y posgrado en cursos y prácticas que además de enseñar los conceptos básicos de una planta solar, verifiquen su correcto funcionamiento.

6 Planta solar El proyecto requiere la instalación de un sistema solar fotovoltaico de 2250 W de potencia, interconectado a la red con respaldo de baterías. Estructura general del sistema

7 Planta solar Es un proyecto multidisciplinario del IPN aprobado en 2013

8 Planta solar Lugar de instalación de la planta
Ubicación del sistema solar fotovoltaico Sala donde se ubicarán los tableros Laboratorios Pesados II de ESIME-Zacatenco

9 Infraestructura disponible
Actualmente se cuenta en los Programas de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de SEPI-ESIME- Zacatenco con dos simuladores experimentales con características muy importantes para realizar investigación en sistemas de potencia. El simulador experimental de sistemas de potencia, el cual tiene 4 áreas de control. El simulador Opal-RT de tiempo real con 12 núcleos.

10 Simulador experimental de sistemas de potencia
a) Generador síncrono de 5 kVA b) Micromáquinas síncronas de 4.5 kVA c) Generador síncrono de 9 kVA Figura: Máquinas síncronas del simulador d) Máquina generalizada AEI e) Máquina generalizada Mawdsley

11 Simulador experimental de sistemas de potencia
Cuenta con los siguientes equipos de control de los generadores: 2 controles de excitación Basler 200 para las micromáquinas síncronas. 2 controles de excitación Basler para la máquina educacional y el generador de 9 kVA. 3 controles de velocidad, dos ABB 400DCS y un control Reliance electric. 1 medidor de ángulo de carga de máquinas síncronas diseñado y construido por el grupo. Cuenta con los siguientes equipos para la red de transmisión y cargas: 33 reactores monofásicos de diferentes impedancias para modelar líneas de transmisión. 23 módulos trifásicos para representar cargas estáticas capacitivas, inductivas y resistivas. 26 capacitores para modelar el efecto capacitivo de líneas de transmisión. 4 transformadores y tres reactores trifásicos

12 Simulador experimental de sistemas de potencia

13 Simulador experimental de sistemas de potencia

14 Simulador experimental de sistemas de potencia
Aplicaciones: Validación de modelos a) Modelo del lazo de control de voltaje de la micromáquina de polos salientes b) Comparación de los resultados de la prueba de escalón del control c) Respuesta del control de velocidad de la micromáquina de polos salientes ante un aumento de carga d) Medición transitoria del ángulo de ante aumentos de carga

15 Simulador de tiempo real
Es una herramienta de investigación que permitirá consolidar las líneas de investigación de los profesores nuevos en las áreas de protección de SEP, estabilidad, máquinas eléctricas, transitorios electromagnéticos, alta tensión y electrónica de potencia. Adicionalmente, este equipo será empleado para ampliar los convenios de colaboración con la industria y otras instituciones académicas, nacionales y extranjeras. Es un simulador con 8 núcleos que puede simular sistemas de potencia de hasta 86 nodos y que puede probar equipos en lazo cerrado. Este equipo complementa y mejora de manera importante la infraestructura experimental de laboratorios de investigación de los programas de posgrado en ingeniería eléctrica

16 Simulador de tiempo real
Sistema de prueba del relevador comercial Conexión del relevador para la prueba de lazo cerrado.

17 Simulador de tiempo real
Modelo creado en SIMULINK

18 Simulador de tiempo real
Conexión física del relevador para la prueba de lazo cerrado.

19 Conclusiones La tendencia actual en la mayoría de los programas de Ingeniería Eléctrica en Sistemas de Potencia a nivel mundial es emplear principalmente simuladores virtuales (programas de simulación digital) para realizar trabajos de investigación y docencia en esta importante área. Esto se ha debido principalmente a que la construcción y mantenimiento de simuladores experimentales de laboratorio de sistemas de potencia implica grandes costos de inversión y mantenimiento de los equipos principales de simulación y de los equipos auxiliares de medición y control. El mejor enfoque posible, de acuerdo a la opinión del Grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos, es combinar ambos tipos de simuladores, los cuales son complementarios.

20 Conclusiones Los simuladores y equipos desarrollados podrán ser empleados para organizar en un futuro proyectos de colaboración a nivel nacional e internacional con instituciones educativas e industriales. El programa de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Eléctrica actualmente no está en el PNPC. Se está restructurando con el objeto de que cumpla con los criterios del CONACyT, y dentro de estos planes, la mejora de los laboratorios se considera como una prioridad, ya que además de reforzar todas la áreas de investigación, servirá para proveer de herramientas para que los profesores que se han integrado recientemente al programa se consoliden como investigadores del SNI.

21 Conclusiones http://www.sepielectrica.esimez.ipn.mx
La información del proyecto y del grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas puede ser consultada en: La página de la Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica de SEPI-ESIME-Zacatenco del IPN: El correo electrónico (Dr. Daniel Ruiz Vega):