Uso de la energia electrica

  • 14,712 views
Uploaded on

 

More in: Technology
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
14,712
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2

Actions

Shares
Downloads
53
Comments
0
Likes
2

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. Resumen Sin duda, la energía eléctrica es la forma de energía más ampliamente usada en lasactividades económicas y sociales de nuestro mundo moderno. Por ello, se puede decir que lascompañías generadoras y distribuidoras de electricidad asumen dos retos de relevantepreocupación actual. Uno es generar con mayor eficiencia, menor costo y con un mínimo impactosobre el medio ambiente. El segundo es cumplir con la calidad del suministro, que ha llegado aser un punto importante tanto para los usuarios como para las compañías que distribuyen laenergía eléctrica, y que se refleja en una distribución y un consumo de energía más eficiente. El trabajo de tesis que se presenta, describe un sistema fotovoltaico (SFV) interconectadoa la red eléctrica que ayuda a superar los retos citados. Este SFV tiene la función de recibir laenergía solar entregada por un arreglo de celdas FV; operar en el punto máximo de potencia delas celdas (para mayor aprovechamiento de la energía captada); acondicionarla a una señalalterna, dentro de los parámetros técnicos normativos para la interconexión eléctrica (establecidospor la compañía; CFE en México); e inyectarla a la red eléctrica con el propósito de compensarpotencia reactiva (filtrado activo) demandada por cargas lineales y no lineales, reduciendo lacontaminación de la red eléctrica; además de compensar potencia activa en los picos de demandade energía eléctrica máxima. El sistema funciona como filtro activo durante todo el día, lo quepermite que la capacidad de potencia instalada por el equipo se aproveche al máximo y nosolamente durante el periodo del día en que se dispone de la radiación solar. Las principales ventajas que se tienen son: implementación sencilla, robusta y con altainmunidad a la variación de parámetros. En las funciones de filtro activo, las señales dereferencia necesarias para modular el inversor, se obtienen utilizando la técnica de cancelación deinterferencia adaptiva. Esta técnica mantiene al sistema en el mejor estado funcional, mediante uncontinuo autoajuste ante cambios en los parámetros de operación, generando resultadosimportantes y satisfactorios. Además, simultáneamente el SFV utiliza, en el seguimiento delpunto de máxima potencia, la técnica de “perturbar y observar”, la cual ofrece un alto desempeñoen la inyección de potencia activa. i
  • 2. Introducción Hasta el momento la mayoría de los inversores existentes en el mercado que se diseñanpara la interconexión de fuentes de energía renovable a la red eléctrica, que no afectan la calidadde la red y que además ofrecen varias prestaciones técnicas. Sin embargo, no contemplan dentrode su filosofía de operación, mecanismos que permitan contribuir con la calidad de la redeléctrica en el punto de interconexión; es decir contribuir a elevar el factor de potencia y a reducirla contaminación armónica debido a las cargas eléctricas del usuario. Las razones por las que nose contempla esto todavía, puede deberse por un lado, al costo adicional que involucra el tenerque implementar las técnicas de control requeridas; y por el otro, al poco material existente entérminos de normatividad para este tipo de tecnología (en lo cual ya varios países se encuentrantrabajando arduamente). Por ello, el prototipo desarrollado en la presente tesis de maestría tienecomo principal importancia, no solamente inyectar potencia activa a la red (siguiendo el punto demáxima potencia FV); sino también elevar el factor de potencia y reducir la contaminaciónarmónica en el punto de interconexión, mediante un control robusto, sencillo y en consecuenciade bajo costo que utiliza la misma etapa de potencia. La organización de este trabajo de investigación comienza en sus primeros dos capítuloscon un enfoque general de la situación energética nacional, con la intención de dar una referenciaacerca de las áreas que resultan beneficiadas con este tipo de desarrollos tecnológicos; las cualeshan sido de gran preocupación en los últimos años. El enfoque será en términos de Calidad yAhorro de la Energía Eléctrica en el sector eléctrico y residencial, dadas las metas de estainvestigación. Por lo tanto, se comentan las medidas que se están tomando dentro de losdiferentes sectores consumidores de energía eléctrica en el marco de eficiencia energética. Seaborda el concepto de generación distribuida mediante energías renovables. También se muestrael rumbo de los SFV interconectados en México, así como las soluciones que éstos darían aserios problemas que enfrenta la compañía suministradora de electricidad, tanto por picos dedemanda máxima, como por calidad del suministro eléctrico. Se presenta también unadescripción sustancial de la Calidad de la Red Eléctrica, del impacto que ésta tiene ante lainterconexión de diversas cargas y de las soluciones técnica y económicamente viables utilizadas
  • 3. CENIDET Introducción en la actualidad para mejorarla. Así mismo, se hace referencia a la normatividad nacionale internacional que rige los aspectos relacionados con este trabajo. En el capítulo III se tiene el diseño de la etapa de control. Se presentan las técnicasexistentes en la detección de las referencias para los filtros activos (FA), los fundamentos teóricosen los que se basa el control para proveer funciones de FA al sistema, un breve análisismatemático de su función de transferencia, y su implementación electrónica. Se describentambién las protecciones eléctricas del prototipo. En el capítulo IV se presenta el diseño de la etapa de potencia. En la primera parte semuestra un análisis teórico de la filosofía de funcionamiento del sistema, a lo largo del día.Posteriormente se presentan: los diseños e implementación de cada elemento (componentespasivos y dispositivos semiconductores de potencia), los compromisos y las consideracionespertinentes que se tomaron para obtener una eficiencia alta, tanto en su propio funcionamiento,como en su interacción con el conjunto red-usuario, así como las pérdidas en el inversor. En el capítulo V se tienen los resultados más representativos del trabajo de investigación.Se comienza separando dichos resultados en términos de compensación reactiva y activa, amanera de evaluar su comportamiento para cada caso. Se presenta también su desempeño condiferentes tipos de carga eléctrica (tanto cargas no lineales, como lineales), incluso su dinámicaante escalones de carga. En la última sección se presenta un análisis, en función de la produccióny pérdidas que se tendría en la interacción del prototipo con el binomio red eléctrica – carga(usuario de la red) en un determinado periodo, con la intención de mostrar el impacto tecnológicoque tiene para dicho binomio los SFV de este tipo. En el capítulo VI se presentan las conclusiones obtenidas a lo largo de la investigación,con la finalidad de poder evaluar los retos que se presentaron, así como las alternativas desolución que se tomaron para alcanzar los objetivos propuestos. Se plantean también los trabajosfuturos a desarrollar para mejorar el diseño, o bien para apoyar a otros posibles desarrollos. iv
  • 4. TABLA DE CONTENIDOResumen iIntroducción iiCAPÍTULO I Antecedentes 1 I.1 Introducción 1 I.2 Uso de la energía eléctrica 3 I.2.1 Consumo de energía 3 I.2.2 Sector energía 4 I.2.3 Sector residencial 4 I.2.4 Administración de la demanda 4 I.3 Calidad de la red eléctrica 7 I.3.1 Generalidades 7 I.3.2 Perturbaciones de la red eléctrica 7 I.3.3 Cargas críticas 10 I.3.4 Responsables 11 I.4 Planteamiento del problema 12 I.4.1 Picos de demanda máxima 12 I.4.2 Contaminación armónica 14 I.4.3 Factor de potencia 15 I.4.4 Normatividad 16 I.5 Justificación 17 I.6 Revisión del estado del arte 17 I.6.1 Sistema fotovoltaico 17 I.6.2 Técnicas de detección de corrientes reactiva y armónicas 19 I.7 Aportaciones 20
  • 5. CENIDET Tabla de ContenidoCAPÍTULO II SFV Interconectados a Red 21 II.1 Introducción 21 II.2 Aplicación de los SFV interconectados a red 22 II.2.1 Consideraciones para la interconexión 24 II.2.2. Protección y seguridad 25 II.3 Generación eléctrica distribuida 27 II.3.1 Concepto 27 II.3.2 Beneficios 27 II.4 Impacto en la calidad de red 29 II.4.1 Efectos de la distorsión armónica 29 II.4.2 Efectos en el factor de potencia 30 II.4.3 Equipos para incrementar la calidad de la red 31 II.4.4 Filtros activos 32 II.4.4.1 Clasificación de los filtros activos 32 II.4.4.2 Funcionamiento básico de un filtro activo paralelo 33CAPÍTULO III Diseño de la Etapa de Control 35 III.1 Introducción 35 III.2 Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA) 36 III.2.1 Estrategia para las funciones de filtrado activo 36 III.3 Detección de corrientes reactiva y armónicas para señales de referencia en filtros activos 37 III.3.1 Técnicas existentes 37 III.3.2 Selección del control 39 III.4 Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA) 39 III.4.1 Método de detección adaptable para corrientes reactiva y armónicas 39 III.4.1.1 Estudio de la función de transferencia del CDCRA 40 III.4.1.2 Efecto del valor de ganancia en el lazo de retroalimentación 43
  • 6. CENIDET Tabla de Contenido III.4.2 Diseño e implementación del CDCRA 44 III.5 Integración del CDCRA al SFIPA 46 III.5.1 Diagrama a bloques 46 III.5.2 Set point 47 III.5.3 Implementación 48 III.6 Técnica de modulación 48 III.6.1 Sincronización con la línea 48 III.6.2 Acondicionamiento de la señal de referencia de línea 49 III.6.3 Señales de control para los interruptores de potencia 50 III.7 Etapa de protecciones y seguridad 52 III.7.1 Sobrecorriente 52 III.7.2 Aislamiento de línea (Islanding) 53 III.7.3 Inyección de CD 54CAPÍTULO IV Diseño de la Etapa de Potencia 55 IV.1 Introducción 55 IV.2 Flujo de energía 56 IV.2.1 Caso I: Periodo de insolación 56 IV.2.2 Caso II: Periodo de oscuridad 57 IV.3 Bus de CD 57 IV.3.1 Arreglo FV 58 IV.3.2 Condensador de CD 58 IV.4 Inversor 60 IV.4.1 Dispositivos de conmutación 60 IV.4.2 Circuitos impulsores para los dispositivos de conmutación 61 IV.4.3 Pérdidas en los IGBT´s 62 IV.4.4 Pérdidas en los diodos 63 IV.4.5 Diseño térmico 63 IV.4.6 Análisis del tiempo muerto 65 IV.5 Transformador elevador 67 IV.6 Inductor de interconexión 69
  • 7. CENIDET Tabla de Contenido IV.7 Potencia aparente manejada como FA 72CAPÍTULO V Resultados Experimentales 58 V.1 Introducción 58 V.2 Especificaciones del prototipo 59 V.3 Compensación de potencia reactiva 60 V.3.1 Carga no lineal, tipo fuente de tensión 60 V.3.2 Carga no lineal, tipo fuente de corriente 62 V.3.3 Carga lineal reactiva tipo capacitiva, RC paralelo 63 V.3.4 Carga lineal reactiva tipo inductiva, motor 63 V.4 Compensación de potencia activa 63 V.4.1 Sistema de cogeneración inyectando corriente a ZL 64 V.4.2 Sistema de cogeneración inyectando corriente activa a la red 64 V.5 Compensación de potencia activa y reactiva 65 V.5.1 Potencia con baja irradiancia solar 65 V.5.2 Potencia con alta irradiancia solar 66 V.6 Dinámica del sistema V.7 Estudio del flujo de energía 68 V.7.1 Gráficas de potencia 68 V.7.2 Aprovechamiento de energía 69CAPÍTULO VI Conclusiones 74 VI.1 Introducción 74 VI.2 Conclusiones 74 VI.3 Trabajos futuros 75
  • 8. CENIDET Tabla de ContenidoReferencias bibliográficas 76Lista de símbolos y abreviaturas 78Lista de figuras y tablas 79Apéndice A: Tarifas en el Sector Residencial 81Apéndice B: Formas de Onda de Perturbaciones en la Red Eléctrica 83Apéndice C: Filtros de Corrientes Armónicas en Sistemas Eléctricos 84Apéndice D: Resultados en Simulación del CDCRA 85Apéndice E: Diagramas Electrónicos 85
  • 9. CAPÍTULO I Antecedentes I.1 Introducción Sin lugar a dudas el siglo XX se identificará como aquel en donde el hombrealcanzó un desarrollo tecnológico gigantesco, lo que marcó el comienzo de una nueva eratecnológica que seguirá siendo la base para alcanzar muchas otras cumbres científicas enel bienestar humano, que quizás antes eran imposibles. Además, de manera contrastantecon lo anterior, se sabe también que uno de los aspectos relevantes que caracterizaron a lahumanidad, sobre todo en los últimos años, fue el tomar conciencia de la necesidad dehacer un uso más responsable de las fuentes de energía para satisfacer las necesidadeshumanas [1]. Es bien sabido que las centrales generadoras de electricidad que quemancombustibles fósiles son las responsables de producir una parte sustancial de lasemisiones que dañan las áreas verdes y contaminan el medio ambiente, deteriorandolentamente la calidad de vida en el planeta1. Sin embargo, en el mundo moderno, laelectricidad es la forma de energía de uso final más ampliamente utilizada en lasactividades económicas y sociales. Por esta razón se debe producir con mayor eficiencia,menor costo y con un mínimo impacto sobre el medio ambiente [2]. En el campo de lossistemas de potencia, la tradicional generación centralizada de energía por medio decombustibles fósiles está evolucionando en las tecnologías de generación y las estrategiasde planeación de la red eléctrica [1]. Las fuentes de energía convencionales provenientes del medio ambiente tienden aagotarse con relativa rapidez debido, como ya se planteó, a su uso irracional. Es decir, setiene la preocupación de la disminución de las fuentes de petróleo, gas natural y lasfuentes naturales de carbón que se ha ido intensificando. Por esa razón, el esfuerzo por1 La generación termoeléctrica contribuye de manera significativa a la emisión de gases tóxicos además delos que producen el efecto invernadero.
  • 10. CENIDET Capítulo I. Antecedentesencontrar nuevas fuentes de energía, permite la disminución del uso de fuentes naturalesde combustible dándose un cambio en todas las áreas científicas y tecnológicas en elmundo y especialmente en el campo de la ingeniería eléctrica [3]. Hoy en día, más de un cuarto de siglo después de la llamada crisis del petróleo,muchas de las tecnologías de aprovechamiento de energías renovables han madurado yevolucionado, aumentando su confiabilidad y mejorando su rentabilidad para muchasaplicaciones; considerándose así como una de las claves para reducir gradualmente ladependencia de combustibles fósiles en la generación de energía eléctrica. Comoresultado, países como EU, Alemania, España e Israel presentan un crecimiento muyacelerado en el número de instalaciones que aprovechan la energía solar directa oindirectamente [4]. De estas tecnologías hay dos que han alcanzado la madurez necesaria paraincursionar en el mercado energético: la eólica y la solar. De manera muy general, seafirma que: “La energía solar aparece como una alternativa importante para el incrementodel consumo energético del planeta, dado que la cantidad de energía solar que arriba a lasuperficie de la tierra en 1 día es 10 veces más que la energía total consumida por toda lapoblación mundial en 1 año” [5] ; y “que la Republica Mexicana recibe en 6 horas deexposición al sol, la misma cantidad de energía que consumirá durante todo 1 año” [6] . De las dos tecnologías mencionadas, los aerogeneradores constituyen la máscompetitiva de ellas; sus costos en sitios de buen potencial eólico son actualmentesimilares a los de plantas turbo generadoras de gas que se usan para generación dedemanda pico. La segunda de ellas es la fotovoltaica (FV); su aplicación está en sistemasautónomos generalmente alejados de las líneas de distribución debido a su situacióngeográfica para las cuales representan la opción más económica. Si bien sus costosdirectos aun no compiten con las tecnologías de generación convencionales, algunasevaluaciones económicas recientes muestran que, si se toman en cuenta los costosindirectos de la generación y distribución de la energía eléctrica, los sistemasfotovoltaicos (SFV) se encuentran cerca de la viabilidad económica en sistemas queinteractúan con la red eléctrica [7], es decir, sistemas interconectados a la red. El éxito comercial de la tecnología FV es todavía incipiente, pero el crecimientodel mercado es estable y obedece a varias condiciones: es una de las formas degeneración eléctrica más apropiada con el entorno ecológico; la conversión solar-eléctricase realiza de manera limpia y directa; la vida útil de los módulos es de 30 años. Nodepende de energéticos externos por lo que tienen un alto grado de autonomía. Además,la sociedad cada vez más tiende a exigir a sus gobiernos el respeto al medio ambiente,sobre todo por parte del sector energético [7]. Además de la riqueza en energéticos de origen fósil, México cuenta con unpotencial muy importante en cuestión de recursos energéticos renovables, cuyo desarrollopermitirá al país contar con una mayor diversificación de fuentes de energía, ampliar labase industrial en un área que puede tener valor estratégico en el futuro, y atenuar los 2
  • 11. CENIDET Capítulo I. Antecedentesimpactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de lasformas de energía convencionales [6]. I.2 Uso de la energía eléctrica Como efecto de las fuerzas de mercado, la creciente demanda de energía ocasionóque el precio del petróleo se elevara y que se mantuviera una tendencia a la alza hastaniveles insostenibles. Simultáneamente, el uso intensivo de los energéticos estabaproduciendo un serio deterioro del medio ambiente debido a las emisiones, producto dela combustión de los energéticos de origen fósil. En 1973, los países industrializados que son, por ende, grandes consumidores deenergía, iniciaron diversas acciones para hacer un menor uso de energéticos sin perder losbeneficios económicos y sociales y, a la vez, proteger y mejorar el medio ambiente [8],puesto que es bien sabido que los grupos sociales alrededor del mundo están demandandoalternativas “limpias” para sus necesidades de energía. Según Rogelio Covarrubias en [8], el análisis comparativo de la eficienciaenergética en México contra países industrializados muestra que mientras nuestro paísindica una tendencia creciente, en los países industrializados la tendencia es a la baja,signo inequívoco de un mejor uso de los energéticos. En México, se está desarrollando la infraestructura requerida para emprenderacciones y proyectos de ahorro de energía; se cuenta con programas como PAESE(Programa de Ahorro de Energía del Sector Eléctrico, de CFE, enero 1990) y el FIDE(Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica); el CHV (Cambio de Horario deVerano) [9] o diversos organismos como la CONAE (Comisión Nacional para el Ahorrode Energía), empresas de ingeniería, centros de investigación, centros de enseñanzasuperior con capacidad para apoyar acciones de difusión y promoción, así como pararealizar proyectos sobre ahorro de energía [8]. En nuestro país la energía se produce y consume en seis grandes sectores: energía,transporte, industria, comercio, servicios y residencial o doméstico. En seguida sepresenta el consumo de energía que se tiene por parte de los sectores industrial yresidencial. I.2.1 Consumo de energía El sector energía es el principal consumidor de energía primaria en el país. En1996 tuvo un consumo total de 45.4 millones de TEP2 que significan 33.1% del consumonacional de energía, desglosado en lo siguiente: autoconsumo, 15.8 millones (10.9%);transformación, 26.9 millones (18.6%), y pérdidas por distribución, 2.9 millones (2.0%)[8].2 Toneladas Equivalentes de Petróleo 3
  • 12. CENIDET Capítulo I. Antecedentes I.2.2 Sector energía El sector energía está integrado principalmente por Pemex y la CFE. El consumode energía es un indicador del nivel económico, social, científico y tecnológico de lospaíses. En México, Pemex y la CFE cubren un área estratégica y fundamental de laeconomía, y sustentan en forma importante el nivel de vida de la población. Además deabastecedores de energéticos, también son grandes usuarios de energía y sujetos a laaplicación de medidas para mejorar su eficiencia energética y ofrecer productos de mejorcalidad y competitivos en el mercado [8]. La CFE consume energía en la producción de energía eléctrica. Este consumocomprende la propia generación, así como las pérdidas en transmisión y distribución(TyD). Las centrales de generación de la CFE son principalmente termoeléctricas queusan gas natural, combustóleo y carbón; además, cuenta con centrales hidroeléctricas,geotérmicas y nucleoeléctricas. En el sector eléctrico, el consumo propio tiende a reducirse debido a la aplicaciónde programas de ahorro de energía y del incremento de eficiencia energética. Solo como ejemplo, en la actualidad se afirma que México cuenta con suficientesreservas de gas natural, aunque se tiene el problema que el abasto de gas natural estárelacionado con la oferta futura de energía eléctrica, ya que en los próximos nueve años60 % de la electricidad que producirá será con gas natural, mientras que ahora dichocombustible se ocupa en 20 % para ello3 [10]. I.2.3 Sector residencial Debido al crecimiento demográfico y al incremento de costos de producción, asícomo a la reducción de las reservas de petróleo del país, cada día es más costosa laadquisición, producción y distribución de los energéticos que se consumen en el sectorresidencial, representado por casas habitación, edificios de departamentos y unidadeshabitacionales. Los energéticos consumidos en el sector residencial, comercial y de servicios seutilizan principalmente en iluminación, preparación de alimentos y acondicionamientodel ambiente (aires acondicionados), siendo la leña (6.0 millones de TEP), el gas LP (8.9millones de TEP) y la electricidad (3.79 millones de TEP) los de mayor consumo [8]. I.2.4 Administración de la demanda Tradicionalmente, el crecimiento del sector eléctrico se ha enfocado en satisfacer,con la anticipación y márgenes necesarios, el crecimiento de la demanda, utilizandotécnicas de proyección con base en los parámetros tradicionales: tendencia decrecimiento, crecimiento demográfico, número de usuarios, desarrollo industrial ycomercial, PIB, etcétera [8].3 Información de la CFE, notas informativas, 16 de julio de 2001 4
  • 13. CENIDET Capítulo I. Antecedentes Por otra parte, hay factores que se han vuelto importantes en la planeación de laoferta de energía eléctrica, como por ejemplo, el incremento en el precio de losenergéticos, el cuidado del medio ambiente y la incertidumbre en el comportamiento delos costos financieros de las inversiones en generación. Esta situación ha despertado elinterés de los planificadores por integrar al proceso factores que influyen en la demanda,al considerar que una reducción de la demanda automáticamente se refleja en un alivio ala oferta [8]. Los objetivos de administrar el comportamiento de la demanda son crear unamayor conciencia y convencer a los usuarios para que modifiquen sus hábitos de uso,remodelen o renueven sus instalaciones productivas, coordinen sus procesos deproducción en forma eficiente, cambien sus equipos y aparatos por aquellos queofrezcan mayor eficiencia energética y, en general, mantengan un programa continuode administración de la energía dentro de sus instalaciones, integrado a sus planes demejora continua y a sus estrategias para alcanzar o mantener su competitividad en elmercado [9] (ver figura I.1). Figura I.1.- Administración de la demanda. (a).- Eficiencia energética. (b).- Reducción de la demanda pico. (c).- Proyección del consumo de energía eléctrica en México. 5
  • 14. CENIDET Capítulo I. Antecedentes El concepto de planeación integral de los recursos (IRP, por sus siglas en inglés),actualmente en práctica en muchos países, considera dos aspectos en forma integrada: losrecursos aplicables al suministro de energía eléctrica y la administración de la demanda.La administración de la demanda busca el equilibrio entre la oferta y la demanda. • Se entiende por administración de la oferta las inversiones en infraestructura eléctrica, la operación y el mantenimiento de dichas instalaciones. • Se entiende por administración de la demanda la reducción de la demanda pico, la adecuación de las tarifas eléctricas a las condiciones reales, la conservación y el ahorro de los energéticos, y el crecimiento estratégico de la carga. En consecuencia, la relevancia para el sector es la optimización y el diferimientode las inversiones, la reducción de pérdidas, el uso eficiente de la energía y ladisminución de emisiones contaminantes, entre otros. La administración de la demanda de energía ya ha sido aplicada durante variosaños en diversos países, incluyendo a México. Se han desarrollado diversos métodos paraidentificar las oportunidades, así como procedimientos para evaluar el diseño, eldesarrollo, la evaluación, el seguimiento, el costeo, etcétera, de programas en los distintosusuarios y sus sectores. En el caso de México, desde hace varios años se han iniciado proyectos asociadoscon el uso eficiente de la energía como una forma de racionalizar el uso de losenergéticos y conservar el ambiente; sin embargo, la utilización de la administración de lademanda como una mejor opción para la aplicación de los recursos de inversión está ensu inicio. Respecto a los tipos de programas, los principales son aire acondicionado,alumbrado y su control, aislamiento térmico, refrigeración, tarifas especiales, equipos yaparatos eficientes, control de carga de motores, motores eficientes y procesosindustriales [8]. Pon lo anterior, se puede ver que en nuestro país es urgente tanto el ahorro y usoeficiente de la energía, como la preservación del medio ambiente. Solo por citar algunosejemplos palpables por la sociedad, se tiene: el control vehicular, implantación detransporte eléctrico en las grandes urbes, CHV, la venta de lámparas y equiposelectrodomésticos más eficientes, campañas publicitarias para la concientización de lapoblación, etc. Y además la aplicación más rigurosa de las normas de calidad en todas lasáreas involucradas. En lo que respecta a la energía eléctrica, es necesario impulsar ypromover su ahorro y uso eficiente, brindando el apoyo tecnológico necesario para quelas instalaciones del sector eléctrico y de los usuarios de energía eléctrica logren reducirel consumo, la demanda pico y la tasa de crecimiento de la demanda de energía eléctrica,y de esta manera conservar el medio ambiente y los recursos del sector eléctrico. De acuerdo a [8], dentro de las áreas de oportunidad que se han identificado y quetienen especial importancia, no sólo por su carácter social sino también por su claracontribución a la reducción de la demanda máxima de energía eléctrica, destaca el sector 6
  • 15. CENIDET Capítulo I. Antecedentesdoméstico, en donde se han identificado tres áreas de particular interés: iluminaciónresidencial, acondicionamiento ambiental de la vivienda y normalización de la eficienciaenergética de aparatos electrodomésticos. I.3 Calidad de la red eléctrica I.3.1 Generalidades Generalmente el nivel de calidad de un sistema eléctrico de potencia se veafectado por una serie de perturbaciones debidas a causas externas (p. e. fenómenosatmosféricos), a la operación tanto del propio del sistema, como de los equiposconsumidores. Actualmente existe una tendencia en la proliferación de equipos queexigen mayores niveles de calidad en el suministro eléctrico. Además, tiende a crecer elnúmero de equipos cuya operación normal genera perturbaciones en el sistema eléctrico.Se estima que a partir del año 2000 aproximadamente el 80% de las cargas de corrientealterna son total o parcialmente electrónicas [11], [12] y en consecuencia, posiblesperturbadoras de la red [13]. Lo expuesto anteriormente proporciona una introducción al concepto de “calidadde la red” (Power Quality), y con el fin de dar mayor precisión a este concepto sedescribirá los tipos de perturbaciones más frecuentes en la red y las cargas mássusceptibles a estas [13]. I.3.2 Perturbaciones de la red eléctrica En un sentido amplio, las interferencias electromagnéticas (EMI por sus siglas eninglés) se pueden definir como señales de tipo electromagnético que perturban laoperación normal de un sistema eléctrico o electrónico afectando sus magnitudeseléctricas. El tipo de perturbaciones consideradas en esta sección son aquellas que secatalogan como perturbaciones de baja frecuencia y que se propagan por conducción.Este tipo de perturbaciones se manifiesta en una alteración transitoria o permanente de laforma de onda de tensión de la alimentación, que idealmente es perfectamente sinusoidal.Es importante observar que el origen y la propagación de tales perturbaciones dependetanto de la parte del sistema eléctrico propiedad de la compañía como de la parte delusuario. En la figura I.2 se muestra el esquema simplificado de un sistema eléctrico depotencia [14]. 7
  • 16. CENIDET Capítulo I. Antecedentes Figura I.2.- Esquema de la red de suministro eléctrico. Puede observarse cómo la tensión de suministro de la red de baja tensión quedaráafectada tanto por una perturbación en la propia instalación del usuario, como por unaperturbación producida en la red de media tensión. Esto se debe a la existencia de unaimpedancia equivalente de la red diferente de cero. Las impedancias Z3 y Z4 tienenvalores elevados comparadas con Z1 y Z2, lo que equivale a decir que una perturbaciónproducida por el usuario, salvo en cargas de gran potencia, afectará a la red en muchamenor medida que aquellas producidas por la compañía. Las impedancias Z1, Z2 , Z3 pueden sustituirse por su equivalente de tal forma quecada fase de la red se representa por un generador ideal de tensión en serie con unaimpedancia Z. A esta impedancia interna de la red en un punto determinado se le conocecon el nombre de impedancia de corto circuito en dicho punto (ZCC), y es la impedanciaque se presenta al equipo conectado a la red de distribución [15]. De acuerdo al parámetro de onda afectado, es posible realizar una clasificación delas perturbaciones de la red. En la tabla I.1 se establece dicha clasificación y en elapéndice B, se muestran las formas de onda de cada perturbación. Tabla I.1.- Clasificación de las perturbaciones en la red eléctrica. Parámetro afectado Tipo de perturbación Amplitud Ruido en modo diferencial Ruido en modo común Variaciones lentas de tensión Variaciones rápidas de tensión Parpadeo Microcortes Cortes largos Forma de onda Armónicos (distorsión) Frecuencia Variaciones de frecuencia Simetría Desequilibrios (asimetría) 8
  • 17. CENIDET Capítulo I. Antecedentes A continuación se presenta una breve descripción de las perturbaciones de la redeléctrica. • Perturbaciones de amplitud Dentro de estas perturbaciones se consideran todos aquellos fenómenos quemodifican la tensión de su forma sinusoidal ideal. Pueden presentarse entre las tensionesfase-fase o tensiones fase-neutro. La duración y magnitud de la perturbación determina elnombre de identificación. Las causas que originan perturbación son: descargas atmosféricas; funcionamientode maquinas eléctricas con escobillas; soldadores de arco; equipos electrónicos(rectificadores, variadores de velocidad, etc.); variaciones de tiempo en la demanda depotencia (inicio de funcionamiento de equipos de gran potencia); corto circuitos en la redeléctrica; reconexión de zonas de distribución eléctrica, entre otras. Los efectos de las perturbaciones sobre los sistemas eléctricos puedenmanifestarse de muchas maneras. Las más comunes son: degradación y destrucción deaislamientos; fallos de equipos electrónicos; descargas eléctricas a usuarios; acortamientoen la vida útil de los sistemas; activación indebida de protecciones del sistema; parpadeovisible en los sistemas de iluminación; funcionamiento anómalos de equipos eléctricos yelectrónicos (dispositivos industriales programables, tornos de control numérico,computadoras, etc.); y paro total de líneas de producción [15]. • Distorsión armónica Puede definirse como una desviación permanente de la onda de tensión respecto auna onda sinusoidal pura. Un parámetro importante es la distorsión armónica total (DATó THD por sus siglas en inglés). A través de este parámetro es posible evaluar el grado dedistorsión de la forma de tensión o corriente en un sistema eléctrico de potencia. Suele producirse distorsión cuando funcionan máquinas eléctricas con núcleomagnético saturado y ciertos convertidores estáticos, tales como rectificadores, fuentesconmutadas y otras cargas no lineales. En general, todos los convertidores electrónicos depotencia (incluyendo los utilizados para proteger cargas sensibles) pueden contribuir aaumentar el nivel de perturbaciones presentes en la red distorsionando la forma detensión de la misma debido a las corrientes armónicas inyectadas a la red. IL = I1+IK Carga ZCC VCA VL = V1 - ZCCIK Otras Cargas Figura I.3.- Red eléctrica alimentando diversas cargas. 9
  • 18. CENIDET Capítulo I. Antecedentes Para ilustrar los problemas ocasionados por los armónicos de corrienteconsidérese el circuito mostrado en la figura I.3. Puesto que el valor de la impedanciainterna de la red no es nulo (representada como ZCC en la figura), la circulación de lascomponentes armónicas IK de corriente provocarán caídas de tensión en la citadaimpedancia, lo que ocasionará que la forma de onda de la tensión en el punto de conexióncomún (PCC) a otras cargas quede distorsionada. Los equipos conectados en el PCCserán afectados por la contaminación armónica debida a la carga contaminante. Otros problemas directamente relacionados con un excesivo contenido armónicode corriente en un sistema de potencia son: la potencia que pueden manejar las líneas dedistribución es menor; reducción de la vida útil en maquinas eléctricas rotativas;sobrecalentamiento en banco de condensadores usados para corregir el factor de potencia(FP), reduciendo la vida útil; interferencia con líneas de comunicación y redes decomputadoras, e incremento de pérdidas en equipos estáticos como transformadores [15]. • Variaciones de frecuencia Son alteraciones del valor nominal de la frecuencia de red. Actualmente, debido ala interconexión de los centros de generación, no se presentan variaciones apreciables ypermanentes bajo condiciones normales. Sin embargo, en redes aisladas comoplataformas de extracción petrolera, barcos, islas y cualquier sistema de generaciónautónomos si pueden presentarse con más facilidad. Entre los efectos se encuentran la actuación de protecciones de sub-frecuencia y elfuncionamiento incorrecto de motores asíncronos y síncronos [15]. • Desequilibrios Es la desigualdad entre las amplitudes y desfases de las tres tensiones de unsistema trifásico. Tienen su origen en las grandes cargas monofásicas repartidas demanera irregular entre las fases de la red, tales como hornos de inducción subestacionesde tracción y equipos de soldadura. Entre sus efectos se pueden mencionar la aparición deun campo inverso en las maquinas eléctricas rotativas, circulación de corrientes en elneutro, incremento de pérdidas en transformadores [15]. I.3.3 Cargas críticas Las cargas críticas son aquellas cuyas características de alimentación pueden serclasificadas dentro de alguno de los siguientes aspectos: elevada seguridad (debido a laimportancia de la función que cumplen); y excelentes características de la forma de ondade tensión de alimentación (necesaria para su correcta operación). Algunos ejemplos de cargas con las características mencionadas anteriormenteson: computadoras y periféricos; controladores lógicos programables (PLC, por sus siglasen inglés); equipos sanitarios vitales; instrumentación electrónica industrial; equipos ysistemas de transmisión; equipos de radiocomunicación; equipos espaciales y militares; yequipos de control en centrales nucleares. 10
  • 19. CENIDET Capítulo I. Antecedentes La gran cantidad y diversidad de cargas hace difícil la generalización de losrequerimientos de calidad de alimentación de las mismas. En los últimos años, aconsecuencia del alto incremento que han experimentado las cargas críticas y las cargasperturbadoras, se ha trabajado internacionalmente por especificar niveles de inmunidadpara los equipos, así como niveles de emisión de perturbadores. El documento IEEE-446 fija niveles de inmunidad mediante gráficos referentes aniveles de perturbación admisibles por cargas críticas; aunque existen diversos estudiosque lo critican poniendo de manifiesto la existencia de diversas imprecisiones en lasdefiniciones que contiene, dando lugar a diferentes interpretaciones [15]. Los requerimientos de seguridad de las cargas críticas pueden cuantificarse porciertos parámetros definidos con base en la confiabilidad del sistema, tal como el tiempomedio entre fallos. En general la calidad y seguridad de las instalaciones del suministroeléctrico son muy variables de un país a otro, inclusive dentro de un mismo país en zonasdiferentes. La normativa existente establece límites tanto a los niveles de perturbaciónpresentes en la red, como a los niveles de contaminación eléctrica generada por losequipos consumidores [15]. I.3.4 Responsables El problema de calidad de la red eléctrica tiene varios responsables. En contrastecon el modelo clásico “cliente-compañía eléctrica” según el cual en el aseguramiento dela calidad solamente estarían involucradas estas dos partes. Hoy está plenamenteaceptado que hay más elementos implicados a saber: - La compañía eléctrica, cuyo papel es definir y garantizar la calidad del servicio proporcionado al cliente. - El fabricante de equipos eléctricos, cuyo papel es colocar productos en el mercado que cumplan las normas de interferencia y contaminación eléctrica. - El usuario, cuyo papel consiste en asegurar que su instalación, enlace con el sistema de distribución y los equipos, estén diseñados adecuadamente y el conjunto de su instalación y cargas no produzcan perturbaciones eléctricas en la red pública. - El gobierno y organismos correspondientes, que han de elaborar normas y reglamentos que establezcan exigencias razonables. - Los investigadores, quienes deben profundizar en el estudio del sistema y proponer soluciones técnica y económica viables. En lo que respecta a la compañía eléctrica, ésta podrá satisfacer las necesidadesdel usuario de dos formas: elevando el nivel de calidad del servicio de toda la redeléctrica con el fin de satisfacer de manera adecuada a las cargas críticas, y adaptando el 11
  • 20. CENIDET Capítulo I. Antecedentesnivel de calidad en puntos específicos de la red al requerido por el usuario exigente.Obviamente, la primera opción es de elevado costo, dado que implica mejoras a loscomponentes de las instalaciones eléctricas (centrales, líneas, transformadores, etc.). Enel segundo punto se pretende solucionar el problema manteniendo el nivel general decalidad e instalando “adaptadores” (acondicionador de tensión) para satisfacer lasnecesidades de los usuarios exigentes, con aplicación de tarifas especiales [15]. Por otro lado, un usuario en cuya instalación existan cargas que introduzcanperturbaciones eléctricas a la red, estará obligado a limitar dichas perturbaciones. Por lotanto, habrá de instalar equipo adecuado para lograrlo (acondicionador en corriente). Losacondicionadores en corriente y en tensión pueden estar separados o formando enconjunto un acondicionador de tensión y corriente; opción justificada puesto que losequipos sensibles suelen ser también contaminantes de la red [15]. I.4 Planteamiento del problema I.4.1 Picos de demanda máxima Figura I.4.- Gráfica comparativa de un pico de demanda máximo entre un día de verano y uno de invierno [16]. Los usuarios del servicio eléctrico esperan que en cualquier zona que cuente conelectrificación, ya sea rural o urbana, puedan disponer en todo momento del suministro deenergía en calidad y cantidad suficiente, lo que obliga a las compañías suministradoras atener la capacidad instalada necesaria para satisfacer por completo la demanda de losmismos. Sin embargo, sucede que la demanda de energía no es constante, sino que presentavariaciones diarias y estacionales; por ejemplo, en la Ciudad de México la demanda esmáxima debido al uso de luz artificial; en el periodo de invierno empieza a las 18:10 y enverano a las 20:27 horas [16], lo cual provoca un uso ineficiente de la capacidad 12
  • 21. CENIDET Capítulo I. Antecedentesinstalada. Ahora, en la figura I.4 se muestran dos patrones de consumo diario de energíaeléctrica en la zona noroeste del país; correspondientes al periodo de verano e invierno. Los problemas que enfrentan las compañías proveedoras de electricidad son losdenominados “picos de demanda” (figura I.4). Este término se refiere a la demanda deenergía eléctrica por parte de los usuarios, que no es constante a lo largo del día, sino quepresenta valores máximos en determinados horarios. Dichas compañías deben tener lacapacidad de satisfacer la demanda máxima, aun cuando la demanda promedio, por logeneral, su valor es inferior, esto representa un uso ineficiente de la capacidad instalada,lo que refleja la ya comentada ineficiencia energética. Por otro lado, para el caso de los usuarios residenciales la magnitud y duración delpico de demanda depende de varios factores; entre ellos y el más importante, latemperatura promedio durante el día. CFE ofrece tarifas preferenciales (subsidiadas) a losconsumidores que viven en zonas en las que la temperatura promedio es superior a otroslugares, con la finalidad que puedan emplear equipos de aire acondicionado, sinresultarles demasiado costoso. En el apéndice A, se presentan las tarifas del sectorenergético nacional, así como la comparación del consumo, entre verano e invierno, deun usuario en el noroeste de México [17]. En el caso específico de las localidades del norte del país, con temperaturapromedio elevada, el pico de demanda coincide con las horas de mayor insolación (verfigura I.5). Por lo tanto, consumir y suministrar energía eléctrica en el verano resulta máscostoso, sobre todo durante los picos de demanda máxima; ya que en este momento tantola compañía suministradora como los usuarios del servicio, se ven seriamente afectados,reflejándose en su propia economía. Figura I.5.- Irradiancia solar de un día despejado en verano. 13
  • 22. CENIDET Capítulo I. Antecedentes Sol V1 V2 Vn Generador Generador Generador Auxiliar Auxiliar Auxiliar SW Subestación Usuario Usuario Usuario Vred Residencial Residencial Residencial 1 2 n Figura I.6.- Esquema de generadores auxiliares FV conectados a red. De lo anterior, resulta lógico pensar en instalar cogeneradores auxiliaresinterconectados a la red eléctrica, que sean alimentados con celdas FV y aprovechen laenergía natural del sol en esos periodos tan críticos (figura I.6), inyectándola a la redmisma. Se tendrá así una solución para reducir los picos de demanda máxima, de maneraque las plantas generadoras de CFE operen en regímenes de carga lo más constantesposible [17]. Además de ser una alternativa apropiada para generar electricidad en formalimpia y sin daño al medio ambiente. I.4.2 Contaminación armónica La preocupación por la calidad del suministro y consumo de la energía eléctricaha aumentado considerablemente en los últimos años, principalmente por la proliferaciónde cargas no lineales (CNL) en todos los niveles de potencia (doméstico, comercial eindustrial). El beneficio que se obtiene con el uso de estas cargas es indiscutible desde elpunto de vista de flexibilidad en el control de procesos y de viabilidad económica; sinembargo, influyen significativamente en la disminución de la calidad en la potenciautilizada, generando perturbaciones y/o distorsiones de tensión y/o de corriente. Unproblema importante que surge a raíz de emplear CNL es el intercambio de energíareactiva con el sistema, con valores eficaces que suelen ser muy superiores a los valoresmedios, y en la mayoría de los casos, presentando consumos de corriente con forma deonda discontinua en semiperiodos de frecuencia fundamental del sistema. En las últimas 3 décadas se han realizado esfuerzos significativos para mitigarestos problemas en las instalaciones eléctricas, y en los últimos 10 años es notorio elavance registrado en la propuesta de nuevas topologías de filtrado de potencia, así comode estrategias de control. Además, en cuanto a la normatividad se tiene que se hacenperiódicas actualizaciones con regulaciones más estrictas (sección I.4.4) debido alaumento de la contaminación armónica. 14
  • 23. CENIDET Capítulo I. Antecedentes La solución más común aún utilizada en aplicaciones industriales para filtrararmónicos de corriente y compensar la potencia reactiva a frecuencia fundamental, es lainstalación de filtros pasivos paralelos en las terminales de las CNL. Un filtro pasivo estáconstituido por uno o más conjuntos de bloques LC de baja resistencia serie con objeto dereducir pérdidas. Sin embargo, esta característica de bajo amortiguamiento puede darlugar a resonancias entre el filtro y la impedancia de la red, y así amplificar lasdistorsiones en lugar de atenuarlas. El problema de las resonancias paralelo puede seranulado empleando filtros activos de corriente [18]. I.4.3 Factor de potencia Para analizar de manera concisa el problema que se tiene con el valor del FP enlos equipos de las compañías suministradoras de energía, se recurrirá a las ecuaciones I.1e I.2 que definen a la potencia activa (Watts) y a la potencia reactiva (Vars),respectivamente, asumiendo formas de onda sinusoidales. P = I CVCA cos(θ ) ec. (I.1) Q = I CVCA sen(θ ) ec. (I.2) donde: IC = corriente eficaz (ARMS) VCA = tensión eficaz de la red (VRMS) θ = ángulo de desfasamiento entre corriente y tensión Solamente para el caso sinusoidal, el término cos (θ) de la ecuación I.1 se conocecomo el FP, es decir: FP = cos(θ ) ec. (I.3) El FP se relaciona con las cargas que incluyen elementos que consumen potenciareactiva (Q). Tanto P como Q son las componentes rectangulares de la potencia aparente(S), por lo que se puede decir que: S = P2 + Q2 ec. (I.4) La potencia aparente (S) se discutirá más adelante, en el desarrollo de este trabajo.Ahora solamente se analizará la ecuación I.3. El valor ideal del FP es la unidad, es decir θ= 0°; y con ello Q = 0 vars. Se deduce entonces, que cuando el FP se aleja de la unidad, Pdecrece y Q aumenta. Por ello el valor deseado para la potencia activa es el producto delos valores eficaces de tensión y corriente, suministrados sin que se vea dicho productoatenuado por el cos (θ), cuando éste no es unitario. La compañía suministradora de electricidad, realiza su facturación con base en lapotencia activa consumida por sus usuarios (Watts) - no hace cargos por la potenciareactiva (Vars) que también es demandada a sus líneas-, lo que significa entonces que, al 15
  • 24. CENIDET Capítulo I. Antecedentesser el FP distinto a la unidad, la compañía deja de percibir ganancias por concepto deenergía consumida, lo que hace que la eficiencia energética de esta sea muy pobre. Porello, en México la CFE establece formulas de bonificación para facturar a los usuarioscuyo FP este por arriba de 0.9; o en su defecto, aplicar multas a aquellos que su FP estepor debajo de la norma (0.90 inductivo)4. En lo que respecta a sistemas de cogeneración, puede ocurrir el caso en que unusuario residencial tenga un SFV que satisface por completo sus necesidades de potenciaactiva. Si la corriente de salida que produce el SFV no está exactamente en fase con latensión de red, el sistema estará generando tanto potencia activa como reactiva. Siademás esta última es aditiva con la potencia reactiva demandada por el resto de losaparatos que el usuario tiene conectados a la red, se llega a una situación incongruente enla que la compañía proveedora no solo deja de percibir un ingreso por concepto de ventade energía activa, sino que además tiene que proporcionar la potencia reactiva demandadapor el conjunto usuario-SFV [19]. Por esta razón, el enfoque del presente proyecto es que no solamente se inyectepotencia activa, sino que también se compense potencia de distorsión (D); es decir lapotencia demandada por los armónicos de la carga, que es la causante de varios daños alos equipos eléctricos de la compañía, como se comentó con anterioridad. Por lo tanto, sila potencia reactiva (Q) y de distorsión (D) generadas por el sistema son sustractivas conrespecto a la demanda del resto de la instalación, la compañía proveedora verádisminuida la demanda de potencia reactiva y de distorsión [19]. I.4.4 Normatividad La generación y distribución de la energía eléctrica se encuentran estrictamentereguladas; existen lineamientos que marcan las condiciones en la que esta energía sedistribuye a los consumidores. Como se ha comentado, se han realizado periódicasactualizaciones en la normativa referente a distorsiones y perturbaciones; por ejemplo laIEEE-519 (aplicada a sistemas de potencia) revisada en 1992 y la IEC-555 (aplicada aequipos) revisada y convertida en la IEC 1000 en 1995 (o su equivalente la IEC 61000[20]), con regulaciones más estrictas debido al aumento de la contaminación armónica. Elproceso de actualización no concluye, pero se pueden considerar como referencia estosotros documentos: Norma EN 60500, ANSI-EEE-446 y ANSI-EEE-529, revisada estaúltima en 1992 [18]. En México, se tiene la especificación CFE L0000-02 [21], en loreferente al suministro de tensión; y la especificación provisional CFE L0000-45 [22], enla normatividad referente a las perturbaciones en la red eléctrica. La salida de un SFV conectado a la red eléctrica debe considerar las regulacionespertinentes marcadas en los lineamientos correspondientes a la generación y distribuciónde la compañía eléctrica, tales como contenido armónico, FP, nivel de tensión yfrecuencia, parpadeo, etc. En seguida, se tienen dos ejemplos: a).- La norma IEEE 929-200 toca los siguientes puntos relevantes: ventanas de operación de tensión y frecuencia;4 http://www.cfe.gob.mx/lineamientos 16
  • 25. CENIDET Capítulo I. Antecedentestiempo de corrimiento para excursiones en dichas ventanas; requerimientos referentes a ladistorsión en la forma de onda; y define un inversor no “aislado” [23]. b).- La normaIEEE-519 establece que los armónicos deben limitarse de manera que la THD de tensión,no exceda el 5% en el primario de la línea de distribución ó 8% en el secundario [24]. I.5 Justificación Interconectar con la red eléctrica un sistema de cogeneración con funciones defiltro activo, basado en celdas FV, implica beneficios de carácter técnico y económico,tanto al usuario, como a la compañía suministradora, además de los consabidosbeneficios sociales al proteger el medio ambiente, al desplazar el uso de combustiblesfósiles para la producción de electricidad. Estos beneficios están relacionados con losesquemas de generación distribuida. El sistema de cogeneración presentado en este trabajo, está planeado para inyectarpotencia activa y reactiva a la red eléctrica. La inyección de potencia activa es paracoadyuvar a la reducción de los picos de demanda en localidades de clima caluroso delpaís, donde la hora de demanda máxima coincide con la hora de máxima irradianciasolar. La inyección de potencia reactiva es para compensar la corriente reactiva yarmónicas demandada a la red por cargas no lineales; disminuir la contaminaciónarmónica de la red eléctrica y con lo anterior mejorar el FP. Además, no es necesariocontar con un medio de almacenamiento (baterías químicas), por lo que se reduce el costode inversión, puesto que no será necesario el mantenimiento periódico de éste. El sistema desarrollado produce formas de onda de corriente de alta calidad yrealiza el seguimiento del punto de máxima potencia (PMP) del banco de celdas solares,lo que garantiza que siempre se inyecta a la línea la mayor cantidad posible de energía.Por lo tanto, el sistema de cogeneración presentado es un diseño con más prestaciones ycon mayor factibilidad económica que uno común en el mercado. I.6 Revisión del estado del arte I.6.1 Sistema fotovoltaico Se presenta lo relacionado con los problemas técnicos de la interconexión. Lainterfaz entre un sistema fotovoltaico (SFV) y la red eléctrica, es el inversor. Éste toma laseñal de CD del arreglo FV, con cierta tensión, y la convierte a una señal de CA en susalida con tensión (o corriente, según sea el caso), frecuencia y número de fasesdeterminados (normalmente son 1φ ó 3φ). Por lo anterior, la señal de salida del inversorse debe adaptar a las condiciones de la red en el punto de interconexión sin causarleperturbaciones ni cambios en las especificaciones de suministro al resto de los usuarios. La mayoría de las topologías de inversores se basan en el circuito de potencia tipopuente, sin embargo existen varias configuraciones posibles de los elementos queconforman el sistema completo, de acuerdo con factores como: el tipo de interruptores de 17
  • 26. CENIDET Capítulo I. Antecedentespotencia, esquema de control, método de síntesis de la señal, parámetro eléctrico que esmodulado, frecuencia de conmutación de los interruptores de potencia, número de fases,etc. En la tabla I.2 se tiene un resumen de los rangos de operación de los inversores segúnsu tipo, como una guía del estado actual con base en los interruptores de potencia actualesy prácticas de diseño más comunes [25]. Tabla I.2.- Resumen de rangos de operación de inversores según su tipo. Método de Parámetro Frecuencia de Conmutación Modulado 1φ ó 3φ Conmutación Rango de Potencia Conmutado por línea Corriente norm. 3φ frec. de red med. a alta (norm. 50–5000 kW) 1φ > 10 kHz peq. (norm. < 10 kW) Tensión Autoconmutado 3φ 250 hz - 20 kHz peq. a med. (5–500 kW) (PWM) 1φ > 10 kHz peq. (norm. < 10 kW) Corriente 3φ 5 kHz - 20 kHz peq. a med. (5–50 kW) En la tabla I.3 se presentan las ventajas y desventajas que existen entre losinversores con control de tensión y de corriente. En ella se tiene que el FP se ve afectadopara el caso de los conmutados por línea, controlados en corriente. Además, normalmentesu frecuencia de conmutación depende de la señal de tensión de la red y en la salida setienen bloques de corriente cuadrados o trapezoidales, por lo tanto el contenido armónicoes alto. Los SFV que tienen este tipo de inversores compensan el FP utilizando filtrospasivos conectados antes de la interfaz con la red; y anulan la contaminación con filtrosde salida. Cabe señalar que un factor justificante, en este tipo de clasificación es lapotencia que se maneja [25]. Tabla I.3.- Resumen de ventajas y desventajas de inversores según su tipo. Tipo Ventajas Desventajas • Control simple y robusto • No puede operar en modo aislado • Control simple y directo sobre el flujo para alimentar cargas residenciales de potencia activa y reactiva o cualquier tipo de carga no lineal Control de • Protección inherente contra • Requiere mediana a alta frecuencia Corriente sobrecorriente de conmutación de (>5kHz)(Autoconmu- • Bajo contenido armónico (fácil • Limitado a capacidades < 50 kWtado, PWM) filtrado) aprox. • Bajo peso y vol. si conmuta a alta frecuencia • Amplio rango de potencia (varios • No puede operar en modo aislado Control de MW) • Contenido armónico en la señal de Corriente • Control simple y robusto salida, requiere filtrado(conmutado por línea) • Bajo costo (el más bajo si P>50 kW) • Bajo FP requiere compensación • Alta eficiencia (>95%) • Puede operar en modo aislado de red • Esquema de control complejo • Bajo contenido armónico (fácil • Alto costo en potencias > 50 kWControl de filtrado) Su rango de potencias es amplio Tensión • FP ajustable (normalmente unitario) pero está limitado a P<500kW (PWM) • Bajo peso y vol. Si conmuta a alta aproximadamente frecuencia 18
  • 27. CENIDET Capítulo I. Antecedentes Tomando en cuenta que el presente trabajo de tesis se basa en un SFV conectado ared [17] cuyo desempeño fue satisfactorio y eficiente, pero que únicamente inyectabapotencia activa5, se da por hecho que los factores seleccionados citados hasta estemomento, son los mejores para este tipo de aplicaciones y por ello se utilizaron en estemismo desarrollo. Por lo tanto, ahora el enfoque del estado del arte se hará a lo referentea los SFV con la calidad de red. Por lo tanto, se tiene que la tendencia de los SFV es ofrecer más prestaciones, quepermitan desarrollar equipos económicos y competitivos. Dentro de las prestaciones ycaracterísticas más relevantes, son: filtro activo para compensar armónicos [26], [27] y[28]; corrección del FP [29]; usarse como balastro en momentos de no haber insolación[29]; y estaciones de apoyo para redes débiles que se encuentran cerca del límite de sucapacidad [30]. En 1990, la empresa Pacific Gas & Electric Co. (PG&E) de California, USA, inicióun estudio sobre los posibles beneficios de instalar generadores FV estratégicamentelocalizados en sus líneas de distribución [31]. En él se identificaron importantesbeneficios potenciales al respaldar sistemas eléctricos que están cerca del límite de sucapacidad térmica. Como consecuencia, PG&E instaló una planta de 500 kW que haproporcionado un satisfactorio alivio térmico a la subestación del poblado de Kermandesde julio de 1993 [32]. I.6.2 Técnicas de detección de corrientes reactiva y armónicas Finalmente, se presenta la investigación existente en torno a las funciones del FAcon las que cuenta el Sistema de Cogeneración desarrollado, enfocándose a los métodosdel sistema de detección de corrientes reactiva y armónicas (CRA) para el control decorriente. Dentro de los circuitos de detección de CRA se presentan a continuación losmétodos recientemente publicados. Uno de ellos muestra una configuración de filtro tipo “peine” adaptable conrespuesta al impulso infinito, con la finalidad de estimar y recuperar la señal armónica deun sistema de potencia. Se emplea el algoritmo de la Máxima Posibilidad Aproximada(Approximate Maximum Likelihood) para actualizar los parámetros. Esta solución secaracteriza por una carga computacional modesta, capacidad de seguimiento efectiva yprovee la recuperación de las corrientes armónicas con poca o ninguna distorsión [33]. En otro trabajo se describe un sistema basado en un inversor PWM, regulado encorriente, en el que se utiliza el seguimiento constante del error (Error-Tracking Mode);lo que permite la compensación instantánea de la corriente. La corriente que se generaincluye un error de referencia dado [34]. Existe también un método de control para un sistema de compensacióninstantánea de corriente reactiva y supresor de armónicos. Este opera sin sensar la5 Sistema Fotovoltaico de Inyección de Potencia Activa (SFIPA, ver sección III.2) 19
  • 28. CENIDET Capítulo I. Antecedentesdemanda reactiva y las no linealidades presentes en la carga. El proceso de compensacióninstantánea, se alcanza sin emplear algún control lógico complicado, por ello aumenta laconfiabilidad del sistema. El compensador es operado en modo ciclo a ciclo conregulación en corriente para lograr la ventaja de compensar instantáneamente [35]. Un sistema de control semejante al anterior, consiste en obtener una función deerror, calculada “en línea”, que es la diferencia entre la corriente de la carga y la forma deonda de referencia generada por el propio control. Dicha señal representa el contenidoarmónico de la corriente a compensar y es obtenida mediante la sustracción de lacomponente activa de la corriente sensada de la carga. La corriente de error generada porla etapa de control puede posteriormente ser procesada por un controlador de corrientepara minimizar los errores en estado estable y dinámico de la carga. Luego esta señal sellevará a la etapa de generación de señales PWM utilizando la técnica de comparacióntriangular [36]. Por último, se tiene que los métodos de detección de CRA convencionales(llámese detección armónica por filtro pasa banda, transformada rápida de Fourier,análisis de Fryze o por la teoría de la potencia reactiva instantánea) son afectados por ladistorsión de la tensión, puesto que son sistemas utilizados en lazo abierto, los cuales sonsensibles a las variaciones de los parámetros de los componentes y a las condiciones deoperación. Esto afecta directamente la precisión de la medición. Una solución que venceestas limitaciones existentes es el método de detección adaptable que se basa en unsistema en lazo cerrado que emplea la cancelación adaptable de interferencias. Susventajas son: el ancho de banda se comporta como el de un filtro de 2º orden que puedeser regulado fácilmente al controlar la amplitud de la entrada de referencia y la gananciadel integrador (esto si se detecta únicamente corrientes armónicas); las características deoperación del sistema son casi independientes de las variaciones de los parámetros de loselementos; cuando la frecuencia fundamental se desvía, ocurriendo una distorsión en lafuente de tensión de CA, el sistema opera adecuadamente como si estuviera funcionandonormalmente y tiene una capacidad excelente de adaptación [37]. I.7 Aportaciones Mediante el desarrollo del presente tema de tesis, se lograron las siguientesaportaciones: • Ofrecer una solución adicional, para tener el mejor aprovechamiento de la red eléctrica, en los estudios desarrollados en la línea de investigación de Calidad y Ahorro de energía. • Desarrollar un prototipo de laboratorio, monofásico, con funciones de FA paralelo, del tipo fuente de tensión y salida en corriente; con un circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA) que optimice el diseño con respecto a soluciones relativamente complejas y cuyo impacto económico es significativo. 20
  • 29. CENIDET Capítulo I. Antecedentes Figura I.7.- Configuración general del prototipo. Además, tomando en cuenta el diseño del sistema fotovoltaico de inyección depotencia activa (SFIPA) como la plataforma establecida para basar el desarrollo de estetrabajo de investigación; en la figura I.7 se muestra la configuración general del sistemade cogeneración con funciones de filtrado activo integradas; cuyas características son: • Compensar la potencia reactiva. • Compensar la potencia de distorsión (fasor D), hasta una frecuencia de 900Hz. • Tener capacidad de operar con cualquier valor de P,Q y D, con una potencia S = 1 kVA. 21
  • 30. CAPÍTULO II SFV Interconectados a Red II.1 Introducción En varias ciudades de países tecnológicamente avanzados, se hace más frecuenteobservar instalados en techos de edificios comerciales y habitacionales pequeños SFVinterconectados con la red, cuyo propósito es generar al menos parte de la energía queconsumen; ello se ha visto motivado conforme los costos de esta tecnología handisminuido. Esto muestra que el campo de aplicación de dichos sistemas se amplia, yaque su principal utilidad no será solamente en sitios remotos a donde es difícil y costosoextender la red eléctrica, sino también en donde ésta ya existe, puesto que interactuaráncon ella. Como se ha comentado en el capítulo anterior, la interconexión con la red de SFVdispersos presenta algunas ventajas para la compañía eléctrica y para los usuarios,incluyendo la nivelación de carga al reducir los picos de demanda máxima, el soporte detensión y la disminución de pérdidas por transmisión y distribución (TyD). Sin embargo,plantea también algunas cuestiones de carácter técnico y normativo por resolver comoson: la calidad de la energía suministrada a la red por parte de los SFV, esto con lafinalidad de no degradar la calidad del sistema eléctrico; reglamentos de protección yseguridad; el desarrollo de lineamientos de interconexión; aspectos tarifarios yprocedimientos de autorización y contratación con la compañía eléctrica; entre otros [28].Las metas de esta tesis están orientadas hacia la calidad y ahorro de la energía eléctrica,por lo tanto en este capítulo se tratarán aspectos específicos relacionados con ello. Se aborda también el tema de la generación eléctrica distribuida, tanto su conceptocomo sus beneficios, debido al papel que juegan los SFV en este tipo de esquema.
  • 31. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Red Módulo de Control ESFV ECA Cargador de Baterías EZL VCA + Filtro ZL VBAT Celdas - FV Inversor Figura II.1.- Diagrama a bloques de un SFV interconectado a red. Por último, se presenta de manera general, las soluciones técnica yeconómicamente viables utilizadas en la actualidad para incrementar la calidad de la redeléctrica. Se concluye con la presentación de la solución seguida para este trabajo detesis. Un SFV interconectado con la red eléctrica es aquel que opera en paralelo conella. Normalmente existe una carga local ZL (usuario), que puede recibir energía de la redy del SFV o de uno solo de ellos, dependiendo de los valores instantáneos de carga ygeneración FV. Una instalación de este tipo también se puede denominar SFV interactivocon la red o SFV conectado en paralelo con la red. En el diagrama a bloques de un SFVinterconectado con la red eléctrica de la figura II.1, se tiene el flujo de energía entre elSFV (ESFV), el usuario (EZL) y la red eléctrica (ECA). Este último es bidireccional debido aque la red suministra energía eléctrica al usuario; pero si en un determinado momento(p.e. con máxima irradiancia solar) el SFV genera suficiente energía, de manera quesupera la demandada por el usuario, entonces se tendrá un excedente que será inyectado ala red eléctrica. Esto último abre la posibilidad al usuario no solamente de evitar comprarenergía a la compañía eléctrica (sobre todo en los picos de demanda máxima, cuyo costoes alto); sino de poder venderle dicho excedente, por lo menos durante ese periodo. II.2 Aplicación de los SFV interconectados a red En un extenso estudio presentado en [28], se estableció que las aplicacionesactuales de los SFV interconectados a red se pueden agrupar en cuatro áreas: sistemasresidenciales, estaciones centrales, estaciones de apoyo a la red y sistemas integrados enedificios. • Sistemas residenciales En muchos países industrializados, el nivel de electrificación es cercano al 100%,por lo que los SFV autónomos (no conectados a la red) tienen poca aplicación. Por otraparte, la tierra disponible es escasa y costosa. Estos dos factores llevaron al desarrollo delconcepto de SFV conectados a la red eléctrica instalados en techos de casas habitación yde edificios (incluso fachadas). Este tipo de instalaciones ha tenido gran auge desdefinales de la década pasada en Europa y Japón y, en menor escala, en EU. Estos sistemasson generadores dispersos de pequeña capacidad (1-10 kW). La interconexión puede ser 24
  • 32. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Redmonofásica o trifásica y se realiza con el sistema de distribución normalmente en el puntode la acometida eléctrica [28]. • Estaciones centrales Este concepto deriva del esquema de generación convencional que prevalece en elmundo hasta ahora. La generación de potencia base es la meta más ambiciosa de latecnología FV; sin embargo, no se encuentra todavía en el nivel de madurez para talmercado. La viabilidad de grandes centrales FV está condicionada también al desarrollode tecnologías de almacenamiento eficientes y económicas, dado que la energía FV enprincipio no es despachable, se produce en la medida en que el recurso solar estádisponible. Pese a lo anterior, existen situaciones en las cuales el uso de SFVmultimegawatt resulta de interés para las empresas eléctricas, especialmente en sitiosdonde la mayor incidencia de radiación solar coincide con los picos de demanda máxima. • Estaciones de apoyo a la red Estas estaciones son probablemente la primera aplicación de sistemasinterconectados que alcance la competitividad económica sin considerar costos externos(emisiones contaminantes) ni incentivos fiscales. Técnicamente son iguales que unaestación central. La diferencia estriba en su función y localización específica dentro delsistema de distribución, características que les confieren ventajas estratégicas; las cualesse expondrán en la sección II.3.2, puesto que en esta clasificación esta ubicado estetrabajo de investigación. • Integración en edificios En Europa existe gran interés por la integración de SFV en edificios. Estossistemas se distinguen de los residenciales en que son típicamente de mayor potencia y enque el arreglo FV constituye una parte integral de la fachada del inmueble. El conceptoofrece una gran oportunidad de reducción de costos, pues además de evitarse inversionesde terreno y estructuras, los módulos FV substituyen a algunos materiales deconstrucción. Hay muchos sistemas de este tipo en operación e instalándose en variospaíses de Europa, lo mismo que en Japón y EU. II.2.1 Consideraciones para la interconexión Se dice que una línea de la red eléctrica o una subestación es candidata parainterconectarle un SFV de respaldo, cuando presentan las siguientes características:encontrarse cerca del límite de su capacidad térmica; que el perfil de la demanda coincidacon el perfil de la potencia de salida de la planta (en otras palabras, la red deberápresentar su pico mayor durante la tarde y preferentemente en verano; esto sucede enredes eléctricas con muchas cargas de aire acondicionado); que el crecimiento de la cargasea relativamente lento; que existan terrenos apropiados y disponibles en el área paraconstruir la planta. Esto es con el aspecto técnico; sin embargo, a pesar de los programasy proyectos que se han hecho hasta hoy, la interconexión con la red de SFV es todavíaobjeto de estudio, ya que hay aspectos no resueltos que surgen de las característicasparticulares tanto de las redes como de los usuarios y del tipo de clima que prevalece 25
  • 33. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Reddonde se realiza el proyecto. Estos aspectos se pueden agrupar en tres áreas: protección yseguridad de los sistemas y personas; calidad de red; y normatividad para lainterconexión [28]. En seguida se abordan dichos aspectos, excepto el caso denormatividad citado en la sección I.4.4. El caso de calidad de red será ampliado en lasección II.4. En México de acuerdo con [38], la Ley actual de Servicio Eléctrico permite quelos particulares generen electricidad para su propio consumo, por lo que es posible que albajar los costos de los SFV, un número creciente de familias pretendan recurrir a estaopción. En general se trata de pequeños sistemas (unos cuantos kilowatts), por ello la leyexime al usuario de la necesidad de permisos para su instalación. En esta circunstancia,las instalaciones pueden darse en respuesta a las fuerzas del mercado, sin la intervenciónde la autoridad. II.2.2 Protección y seguridad Los aspectos de seguridad relacionados con la interconexión de SFV a red tienenuna importancia doble, ya que por un lado concierne a los equipos FV y los usuarios y,por el otro, a la red y sus operadores. Los puntos más importantes los podemos listar acontinuación: protección para la interfaz; formación de islas (islanding); y seguridad delas personas [28]. • Protecciones para la interfaz Las funciones de detección y eliminación de fallas que se recomiendan para lainterfaz con la red son la desconexión por alta y baja tensión; la desconexión pordesviación de frecuencia; los supresores de picos de tensión; la protección contracortocircuito del lado del SFV; la protección contra sobrecarga del inversor, y laprotección contra operación en modo aislado. Las protecciones para la interfaz deben ser capaces de discernir entre fallas en elsistema de distribución y eventos normales como picos de tensión transitorios, iguales alo que ocurren por la operación de interruptores de potencia, y caídas de tensiónmomentáneas como las que suceden al arrancar motores grandes. Otra condiciónimportante es que las protecciones del SFV no interfieran con la operación de lasprotecciones de la red y que las corrientes inyectadas en la red por generadoresdistribuidos no perturben la lógica de operación de los sistemas de protección de la red[28]. 26
  • 34. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Red Sol V1 V2 Vn Generador Generador Generador Auxiliar Auxiliar Auxiliar SW Subestación OFF Usuario Usuario Usuario Vred Residencial Residencial Residencial 1 2 n Figura II.2 Formación de islas en el esquema de generadores FV conectados a red (Islanding). • Formación de islas En la figura II.2, se tiene la red eléctrica con un número de SFV distribuidosinterconectados a ella. Si la carga de la red es cercana a la potencia entregada por los SFVen Watts y Vars en el momento de la apertura del interruptor en la subestación, lacorriente proveniente de la red es nula, dando como resultado que la tensión y lafrecuencia en la "isla" se mantengan dentro de los límites normales de operación por untiempo de varios segundos. Si existe desbalance entre la potencia real y reactivademandada y generada en la línea mayor que ± 20% en el momento de la desconexión, seproducirán fluctuaciones de tensión y frecuencia fácilmente detectables; debidoprincipalmente al suministro de energía reactiva por la red eléctrica. Por esta razón, lasprotecciones contra desviación de tensión y frecuencia se consideran proteccionesconvencionales contra operación en modo aislado. La condición de operación en modoaislado representa riesgos al personal de la empresa eléctrica, porque pueden entrar encontacto con líneas de distribución energizadas cuando se supone que no lo están.También implica riesgo de daños a los equipos de la red y de los SFV en caso de unareconexión automática con una "isla" fuera de sincronía [28]. • Seguridad de las personas La seguridad de los ocupantes de un inmueble que cuenta con un SFV es esencial.En general, los usuarios del inmueble estarán poco familiarizados con cuestiones deseguridad eléctrica. Por lo tanto, instalar un SFV en el tejado o azotea de un edificio, porrazones de espacio y captación de la radiación solar, resulta favorable, sin embargoincrementa los riesgos de accidentes y, por ende, la necesidad de desarrollar lineamientosde seguridad para este tipo de instalaciones; puesto que dicha área es de regularcirculación de personas. 27
  • 35. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Red II.3 Generación eléctrica distribuida II.3.1 Concepto En esta sección se describirá el concepto de generación distribuida (“DistributedPower”, en inglés), enfocado a energías renovables como estaciones de apoyo a la red,dado que las soluciones que da el sistema de cogeneración con funciones de filtradoactivo integradas, forman parte de las metas que se pretenden con este esquema degeneración que si bien no es de reciente invención, al menos se encuentra en los alboresde su desarrollo, y los expertos dicen que este será predominante en 2 ó 3 décadas, debidoa su apoyo a las compañías suministradoras de energía eléctrica [39]. La fuente de energía de un SFV es la radiación solar que tiene características muyespeciales. Es una fuente muy abundante, pero dispersa: sus patrones de comportamientotienen componentes cíclicas (noche y día) y aleatorias (condiciones climatológicas). Lascaracterísticas de la energía eólica, que tiene un papel protagónico actualmente en elesquema generación distribuida (como en la Ventosa, Oax. en México), son muysimilares. Como se ha dicho, después de los sistemas eólicos, los SFV tienen unaimportancia comercial en el marco de las energías renovables. Entonces, dada la variabilidad de la fuente de energía solar, pero disponibleprácticamente en cualquier lado; la evolución de los sistemas de baja capacidad es haciala instalación directa en el punto donde serán utilizados. De esta manera, los sistemasquedan ubicados de manera distribuida. Para solucionar el inconveniente de lavariabilidad en la potencia de salida se recurrió a la tecnología de almacenamiento yadominada: las baterías electroquímicas. Esta solución es buena, pero muy costosa; tantopor las baterías mismas como por su mantenimiento requerido. Posteriormente secomprobó que la variabilidad se podía solucionar con la misma red eléctrica, instalandovarios sistemas dispersos e interconectados, como una alternativa a la creciente demandade energía eléctrica. Es así como surgió el concepto de generación distribuida [39]. Es de esperarse que el desarrollo de dichos sistemas distribuidos tenga un impactopositivo en la situación energética global, en las economías y en el medio ambiente. Bastacon comentar que estos sistemas aseguran el suministro eléctrico al ocurrir algunainterrupción (apagones) en el suministro de la red eléctrica (salvando pérdidaseconómicas considerables), y permiten que el usuario reduzca el consumo de energíaeléctrica de la red durante los periodos de demanda pico, cuyo costo en dicho periodo esalto [39] y [40]. II.3.2 Beneficios El valor de la energía producida por un generador distribuido depende en granmedida de la hora del día en la que ocurre los picos de demanda. La energía suministradadurante un periodo de demanda pico puede tener un valor 3 ó 4 veces mayor que la que seproduce en otra hora del día. Por lo tanto los SFV interconectados a la red eléctrica sonparticularmente valiosos en redes con demanda pico en verano por la tarde, como sucedeen las regiones al norte de México, especialmente en el noroeste [39]. 28
  • 36. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Red Además, se sabe que los esfuerzos que realizan las compañías eléctricas parallevar el servicio a donde se requiere resultan cada vez más costosos y menos efectivos.Conforme crece el tamaño de las líneas, el número de usuarios al final de ellastípicamente disminuye; en consecuencia su capacidad de consumo eléctrico y de pago porel servicio es más limitado, la cobranza se hace más difícil; los requerimientos demantenimiento de las líneas aumentan; crecen las pérdidas de energía a lo largo de losconductores, y baja la calidad del servicio al ser mayor la frecuencia de las interrupcionesy la variación en tensión. En consecuencia, muchos ejecutivos de las empresas eléctricaspiensan que ampliar las redes de distribución más allá de los grandes centros de carga noes buen negocio. Muchas empresas eléctricas de los países en desarrollo en lugar deextender sus líneas eléctricas, prefieren utilizar sus recursos para mantener lainfraestructura con que cuentan y ampliar en lo posible su capacidad de generación anteuna demanda urbana e industrial que crece día a día [41]. Tomando como referencia el análisis citado por [31], los siguientes conceptos sepueden cuantificar para determinar el valor de una planta FV para apoyo a la red, desde elpunto de vista de la compañía suministradora: Valor de la energía.- Es el costo de producir la misma cantidad de energía pormedios convencionales. Valor de capacidad de generación.- Es el costo del equipo convencionaldesplazado (la parte proporcional correspondiente a la capacidad del sistema). Valor de capacidad de transmisión.- representan el monto de las inversionesevitadas por concepto de TyD. Ahorro en pérdidas.- Son los costos que se evitan en pérdidas por conducción queresultan de la reducción de la potencia transmitida a través del sistema. Valor de la potencia reactiva.- Es el costo que se evita por transmisión depotencia reactiva. Confiabilidad.- Es el costo estimado por recuperación de carga tras la ocurrenciade una interrupción de la línea de alimentación. Valor ecológico.- algunas regulaciones recientes en los EU empiezan a establecercostos ecológicos asociados con la producción de energía en dólares por toneladas deNOx, SO2 y CO2 emitidos [39] Los conceptos descritos anteriormente corresponden a una planta de apoyo a lared, algunos de ellos dependen en gran medida de la localización de la planta; sinembargo la mayoría son aplicables a cualquier SFV interconectado con la red [39]. El beneficio económico de los usuarios depende del costo de compra de lacompañía, ya que de este depende del tiempo de amortización de la inversión. En variospaíses se ha establecido un crédito del 100% (costo uno a uno de energía suministrada ycomprada). Esta política tarifaria es justa si se consideran los beneficios al sistema de 29
  • 37. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Reddistribución y que, en algunos casos, la energía inyectada a la red puede tener un valormás alto que el de venta debido a los horarios de demanda pico. Se pueden presentarotros beneficios económicos en forma de deducciones de impuestos por el uso deenergías renovables y subsidios a la inversión inicial. II.4 Impacto en la calidad de red La cuestión fundamental respecto a la calidad de la onda de salida de unconvertidor conectado a la red es si esta cumple o no con las especificacionesestablecidas por la compañía suministradora. Las normas han sido establecidas enfunción de los límites que la red puede tolerar sin causar mal funcionamiento o daño a susequipos ni a los otros usuarios, como se presentó anteriormente. En lo que a distorsiónarmónica se refiere, el estado actual de la tecnología permite que los convertidoresautoconmutados cumplan con las especificaciones de las autoridades eléctricas conmínimos requerimientos de filtrado y en algunos casos sin necesidad de él. Por otra partelos inversores conmutados por línea requieren de filtros pasivos de salida para cumplircon ellas. Es decir existe la tecnología para lograr una interfaz libre de contaminaciónarmónica, desde este punto de vista. En la sección II.4.3 se ampliará de manera generalsobre ello [39]. II.4.1 Efectos de la distorsión armónica Se presentó en la sección I.3 que la distorsión de la tensión tiene algunasconsecuencias negativas en los equipos de transmisión y distribución, así como en los delos usuarios de la red. El inversor de un SFV puede introducir armónicos de corriente enla red, que al circular por las impedancias del sistema de transmisión y distribuciónproducen caídas de tensión armónicas y, por lo tanto, distorsión en el punto deacoplamiento. La magnitud de la distorsión de tensión depende de la impedancia delsistema a las frecuencias en cuestión y de la magnitud de las corrientes armónicas. Ladistorsión de tensión se agrava cuando se presentan resonancias en paralelo, cuyacaracterística es un incremento pronunciado en la impedancia de la red a la frecuencia deresonancia [28]. Por otro lado, el inversor produce corriente fundamental más una serie decorrientes armónicas cuyas frecuencias y magnitudes dependen del esquema deconmutación y del filtro de salida del mismo. Por lo tanto, es uno de los aspectos demayor preocupación en la conexión de SFV a la red eléctrica, ya que estos pueden reducirla vida útil de los aparatos eléctricos debido a un sobrecalentamiento en los aislamientos(en el apéndice C, se presenta un esquema de opciones para filtros de corrientesarmónicas en sistemas eléctricos). Los aspectos que impactan en el contenido armónicoque genera un SFV son la frecuencia de conmutación en el inversor y el filtro de salida.La frecuencia de aparición de los armónicos es directamente proporcional a la frecuenciade conmutación del inversor; un valor alto implica entonces que aparecerán a unafrecuencia elevada y, por lo tanto, se necesitará un filtro más pequeño. Existen, sinembargo, inconvenientes en el empleo de frecuencias de conmutación elevadas, ya que en 30
  • 38. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Redlos dispositivos semiconductores la mayor parte de las pérdidas ocurre durante lasconmutaciones. Por lo tanto, el empleo de frecuencias elevadas conlleva una bajaeficiencia [19]. II.4.2 Efectos en el factor de potencia Las cargas en un sistema de potencia tienen un FP inductivo, es decir consumenVars adicionalmente al consumo de potencia real. Ello obedece a la naturaleza de lasmismas; puesto que existe un gran número de cargas con devanados, como motores ytransformadores mientras las cargas capacitivas no son comunes. Producir Vars tiene uncosto para la compañía suministradora debido a que existen pérdidas por transmisión ypor la corriente activa que es desplazada por el consumo de corriente reactiva. Para evitarla transmisión de Vars, la compañía instala condensadores cerca de las cargas para llevarel FP a un valor cercano a la unidad, esta práctica evidentemente tiene también un costoasociado [42]. Los inversores conmutados por línea operan con un FP inductivo bajo (véase latabla I.2). Su valor oscila de 0.50 a 0.85 en el rango normal de operación, lo que implicaque si no tienen compensación (condensadores) pueden consumir tanta potencia reactivacomo la potencia activa que producen. Los inversores autoconmutados se pueden diseñarpara operar con cualquier FP (inductivo y capacitivo), pero normalmente se operan conFP unitario [42]. En el planteamiento del problema de este trabajo, se dijo que el FP de los SFVconectados a red es relevante para la compañía suministradora, porque no hace cargos porconsumo de potencia reactiva a los consumidores residenciales; lo que resultaeconómicamente desfavorable para ella tener que comprar Watts a un usuario mientras letiene que suministrar Vars gratuitamente. Otro aspecto importante relativo al FP, son lascaídas de tensión producidas por la transmisión de corriente reactiva, su impacto sobre laregulación de tensión suele ser una situación que involucra también costos, debido a lanecesidad de instalar y mantener reguladores de tensión (cambiadores de taps) deacondicionamiento mecánico o electrónico en las subestaciones [42]. II.4.3 Equipos para incrementar la calidad de la red Por lo presentado hasta el momento y de acuerdo con [14], la solución paraincrementar la calidad de la red son los equipos “adaptadores” o “acondicionadores”; loscuales pueden ser de muy diversos tipos, desde los supresores de picos hasta los Sistemasde Alimentación Ininterrumpibles (SAI ó UPS por sus siglas en inglés), y suponen uncambio adecuado para la supresión de algunas o todas las perturbaciones presentes en lared. La complejidad de estos sistemas varia, y el precio suele estar relacionado con sucapacidad. Sin embargo, la selección del sistema para incrementar la calidad de la reddepende del primer termino del tipo de perturbación. No necesariamente un sistemacostoso es el más adecuado para todo tipo de perturbaciones. 31
  • 39. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Red Los sistemas acondicionadores más comunes son: • Supresores Los limitadores de picos de tensión se basan en dispositivos que ofrecenprotección en caso de un pico de sobretensión. Muchos equipos cuentan con estosdispositivos desde su fabricación, lo que les da un nivel de protección medio. • Filtros pasivos Son filtros LC de potencia para cortocircuitar armónicos en corrientes de la red.Los armónicos más representativos en sistemas trifásicos son el 5°, 7° y 11°. • Transformadores de ultra-aislamiento Son transformadores con un aislamiento muy superior a el de los normales.Reducen ruidos en modo común y diferencial, normalmente a frecuencias altas. • Transformadores ferrorresonantes Son un método clásico para estabilizar la tensión en cargas inferiores a 5 kVA.Siguen siendo muy utilizados dada su confiabilidad y robustez frente a sobrecargas ysobretensiones. Debido a su elevada potencia reactiva puede manejar microcortes. • Regulador lento con tiristores Compensa variaciones lentas de tensión con tiristores. Con base entransformadores con terminales (“taps”,de acuerdo a la nomenclatura americana) ytiristores (TRIACs y SCRs) permiten una regulación adecuada dentro de ciertosintervalos. Dada la naturaleza de los dispositivos, sus tiempos de regulación para cambiosrápidos de tensión están limitados. • Regulador rápido De manera similar al regulador con tiristores, cuenta con transformadores yterminales, pero el cambio de “tap” se realiza a través de MOSFETs, BJTs e IGBTselevando su velocidad de regulación, y compensando en tiempos menores a medio ciclode línea. • Sistemas de Alimentación Ininterrumpibles (SAI o UPS) Es la única solución para evitar cortes de tensión mayores a 0.5 seg. en la tensiónde entrada de cargas críticas. Generalmente son equipos de estado sólido; sin embargopueden encontrarse equipos que combinan máquinas rotativas y convertidoreselectrónicos (esquemas híbridos). Dentro de los SAI estáticos existen variasconfiguraciones y estrategias de funcionamiento: esquemas “on line”, donde la carga estasiempre conectada al SAI, y el esquema “off line”, donde la carga se alimenta a partir dela línea principal y únicamente se conmutan al SAI cuando aquella falla. • Filtros Activos (FA) Los FA están basados en convertidores electrónicos de potencia y su objetivo escompensar las variaciones lentas y rápidas de tensión, las corrientes armónicasdemandadas por las CNL y compensar la potencia reactiva (FP) en una instalación 32
  • 40. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Redeléctrica. Entre otras prestaciones existe la posibilidad de realizar el balance de potenciaen un sistema desbalanceado trifásico, eliminar microcortes y cortes breves de tensión. II.4.4 Filtros activos II.4.4.1 Clasificación de los filtros activos Otros nombres con que los FA suelen ser denominados en la literaturaespecializada son: acondicionadores de red, acondicionadores de línea o simplementeacondicionadores. Tales equipos suponen un nivel ligeramente inferior en cuanto a lacalidad suministrada por equipos como SAI, pero de igual forma una considerablereducción en el costo. Estos equipos se han estudiado desde que sus principios básicos fueron propuestosen los 70´s [43]. El tipo de configuraciones propuestas responden a la necesidad de llevara cabo la compensación de la variable eléctrica deseada en tiempos inferiores al ciclo detensión de la red, lo que unido al requerimiento lógico de no introducir armónicosadicionales, lleva a la consideración exclusiva de convertidores electrónicos conmutandosen alta frecuencia y con control mediante Modulación de Ancho de Pulso (PWM por sussiglas en inglés). Además, existen diferentes tipos de configuraciones monofásicas ytrifásicas [18]. Una primera aproximación para el análisis de los FA es a partir de la variableeléctrica compensada: FA de tensión, FA de corriente y filtros universales. En seguida seproporcionan las características básicas de cada grupo. • FA de tensión El objetivo de estos sistemas es reducir las variaciones lentas y rápidas de tensiónatenuando ruidos en modo común y modo diferencial. Por tanto las únicas perturbacionesde forma de onda que no compensan son los cortes largos. Un FA de tensión puede serrelacionado con un regulador de tensión por la función que tienen en común. Sinembargo, el esquema de funcionamiento y la topología de potencia son completamentediferentes. Los FA de tensión también se les denomina como FA serie. La topología muestrauna fuente de tensión en serie con la red y la carga, proporcionando una tensión cuyovalor en todo instante es igual en magnitud y de signo opuesto a la perturbación presenteen la tensión de la red eléctrica. El convertidor toma la energía de la red y la utilizadirectamente para llevar a cabo la compensación [18]. • FA de corriente En la sección I.3.2 se analizó que las corrientes armónicas demandadas por CNLproducen una distorsión en la tensión en el punto de conexión común con otras cargas.Una forma de solucionar el problema es colocar un equipo que genere las corrientesarmónicas demandadas por la carga, evitando que estas circulen por la red eléctrica. Estopuede ser llevado a cabo con la inserción de filtros pasivos en paralelo con la carga. Sin 33
  • 41. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Redembargo, la amplia gama de armónicos a compensar o la interacción con lascaracterísticas de impedancia de la red, hacen que no sea la solución óptima en muchosde los casos. Otra opción es emplear FA de corriente (también llamado FA paralelo),basados en convertidores estáticos de potencia, de tal manera que la red vea el conjuntoCNL y acondicionador de corriente como una carga lineal. En la sección siguiente seampliará más la información sobre este tipo de filtro. Cabe señalar que es posible emplearconfiguraciones híbridas, combinando topologías de FA de corriente con filtros pasivosLC sintonizados [18]. • FA universales La combinación de FA de corriente y tensión genera lo que lo que se conoce comoacondicionador universal o FA universal. Sin embargo, para optimizar las topologías depotencia y evitar la duplicidad de componentes con las mismas funciones, es interesanteque el sistema cuente con una etapa común de almacenamiento de energía. Bajo estascondiciones el FA universal podría compensar potencia reactiva, cancelar algunasperturbaciones de tensión, inclusive cortes breves de red, y equilibrar las cargas entrefases [18]. II.4.4.2 Funcionamiento básico del filtro activo paralelo Se iniciará por definir el concepto de CNL, ya que este tipo de cargas, degradan lacalidad de la red en los sistemas de alimentación eléctrica. Una CNL es cualquier equipoeléctrico, que al ser conectado, cambia o modifica la forma de la onda de tensión o decorriente del alimentador, en una forma de onda que no es sinusoidal (ver figura II.3b, laiCNL). El resultado es una onda compleja [44]; es decir tendrá una componente activa,reactiva y de distorsión. Equipos de computo, televisores, control de motores,rectificadores, etc., etc. son ejemplos de CNL. Por lo tanto, el principio de operación del FA paralelo (FAP) se basa en lainyección de las corrientes armónicas y de la corriente reactiva requerida por la CNL. Deesta forma la red eléctrica solo aporta la componente fundamental de corriente y en fasecon la respectiva tensión fase neutro (FP=1). La función del FAP es mantener senoidal lacorriente de la red (iCA), inyectando una corriente de compensación (iFAP), tal como semuestra en la figura II.3a. En la figura II.3b se muestra cada forma de onda para el casoque la CNL sea una computadora. El FAP inyecta la corriente de compensación hacia lared para cancelar las armónicas contenidas en la corriente demandada por la CNL (iCNL)[32]. 34
  • 42. CENIDET Capítulo II. SFV Interconectados a Red Figura II.3.- Funcionamiento del FAP paralelo (a) esquema general (b) formas de onda del sistema de alimentación y FAP. La mayoría de los FAP basan su construcción en el empleo de inversores conmodulación de ancho de pulso del tipo fuente de tensión o fuente de corriente como semuestra en la figura II.4a y II.4b; estas topologías reciben el nombre de VSI (inversoralimentado en tensión) y CSI (inversor alimentado en corriente), respectivamente. En lafigura II.4a se tiene la topología tipo fuente de tensión, en la cual esta basado el diseño deeste desarrollo de tesis debido a la fuente de CD del arreglo FV [32]. iCA iCNL iCA iCNL ZS ZS VCA CNL VCA CNL iFAP iFAP CCA LINV CCD LCD (a) (b) Figura II.4.- Topologías más comunes de FAP. (a) VSI (inversor alimentado en tensión) y; (b) CSI (inversor alimentado en corriente). 35
  • 43. CAPÍTULO III Diseño de la Etapa de Control III.1 Introducción De manera general, el funcionamiento adecuado de cualquier unidad deadquisición de datos dependerá de las consideraciones que se lleven a cabo en laplaneación y diseño de su implementación [45]. Al construir el circuito de detección,utilizando circuitos analógicos, deben tomarse en cuenta los factores (ruidos eléctricos,derivas térmicas, etc.) que pueden alterar las señales que se desean obtener. En este capítulo se presenta el diseño de la etapa de control del prototipo: lastécnicas existentes en la detección de las referencias para los FA; los puntoscontemplados para integrar al control del SFIPA, las funciones de FA, los fundamentosteóricos en los que se basa el control para proveer dichas funciones; un breve análisismatemático de su función de transferencia; y la implementación electrónica de cada etapaque lo integra, describiendo la técnica de construcción empleada. También se detalla cadauna de las protecciones eléctricas. Es importante apoyarse en los diagramas esquemáticos del Apéndice E, puestoque se estará haciendo referencia a ellos continuamente.
  • 44. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control VCA Módulo de Control VC IC IFV CCD VCA Celdas FV Inversor Figura III.1. Sistema Fotovoltaico de Inyección de Potencia Activa (SFIPA). III.2 Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA) El SFIPA (figura III.1), es el trabajo de investigación que sirvió de base para estatesis. Sus metas fueron orientadas a inyectar potencia activa a la red eléctrica paradisminuir los picos de demanda máxima mediante el seguimiento del Punto de MáximaPotencia (PMP); lo que permite aprovechar al máximo la capacidad instalada del arregloFV. En su diseño se contempló la generación de señales de alta calidad que no afectaranel FP y, para no contaminar la red, con valores de THD dentro de la norma IEEE 519-1992. La etapa de potencia del SFIPA se basa en un inversor fuente de voltaje reguladoen corriente, alimentado a partir de un arreglo FV. La configuración del inversor es unpuente completo y las señales de conmutación se obtienen de un control por histéresis; suseñal de salida está sincronizada con la tensión de red. El seguimiento del PMP se realizapor medio de un algoritmo de localización programado en un microcontrolador, einteractúa directamente con los componentes analógicos. Lo anterior lo hace undesarrollo además de simple y robusto, económico (esto último, sin tomar en cuenta elarreglo FV). En dicho trabajo se implementaron las protecciones eléctricas exigidas porlas normas internacionales para este tipo de SFV [17]. III.2.1 Estrategia para las funciones de filtrado activo La estrategia seguida para integrarle al SFIPA funciones de filtrado activo, estábasada en el criterio de aprovechar una sencilla plataforma electrónica (circuiteríaanalógica y digital del control, protecciones eléctricas, etc.), así como su filosofía defuncionamiento; esto por dos razones principales: darle seguimiento al trabajo deinvestigación desarrollado con anterioridad; y presentar un proyecto de investigacióninnovador con viabilidad tecnológica que pueda resultar interesante para las institucionesque desarrollan SFV interconectados a la red eléctrica o incluso para las compañíaseléctricas. 38
  • 45. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control Con base en lo anterior, el desarrollo de esta tesis conserva la filosofía deoperación del SFIPA en las siguientes etapas: técnica de modulación, esquema deprotecciones eléctricas, topología del inversor e interconexión a la red eléctrica. Por ello,dichas etapas se tratarán de manera general y sólo se profundizará en aquellas querequirieron cambios y mejoras. III.3 Detección de corrientes reactivas y armónicas para señales de referencia en filtros activos Las primeras estrategias de control y generación de referencias que fuerondesarrolladas estaban encaminadas exclusivamente a los FA de corriente paralelos.Posteriormente, con el desarrollo de los FA de tensión y las configuraciones híbridas,surgieron otras necesidades que dieron origen al desarrollo de nuevas estrategias decontrol. Sin embargo, vale la pena resaltar que aun cuando algunas de las filosofías decontrol aplicadas a FA paralelo pueden ser aplicadas a FA de tensión e híbridos, losprincipios de funcionamiento son distintos. Por ejemplo, en este trabajo, se utilizan losarmónicos de corriente de la carga como referencia para ser inyectados en contrafase,eliminando su circulación de la red eléctrica. En los FA de corriente es necesario mantener la regulación de dos variables: laestabilidad en la tensión en el bus de CD, necesaria para garantizar la controlabilidad dela corriente del FA y el seguimiento de la referencia de la corriente a ser inyectada por elFA [46]. III.3.1 Técnicas existentes Existen diversos métodos de control para las topologías de FA. De acuerdo altratamiento de los parámetros se puede hablar de una clasificación básica: corrección deseñales en el dominio del tiempo y corrección de señales en el dominio de la frecuencia.A continuación, de manera general se presentan las características de ambos tipos decorrección de señales. • Corrección en el dominio del tiempo De acuerdo con [46], esta metodología se desglosa claramente en dos pasos:primero, la generación de la señal de referencia para el FA, y segundo, el esquema decontrol para reproducir en potencia la señal de referencia. La corrección en el dominio del tiempo está basada en el principio de mantenersinusoidal la forma de corriente o tensión, con una distorsión mínima. Una función deerror instantánea es calculada “en línea”, la cual puede ser una diferencia entre una señalde referencia y la señal medida, o una función más elaborada como lo es la compensacióninstantánea de potencia reactiva. 39
  • 46. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control Existen métodos tan sencillos como el de la Extracción de la ComponenteFundamental, que corresponde al caso de la diferencia de señal de referencia y la señalmedida. Es decir, la componente fundamental s1(t), es extraída de la forma de ondadistorsionada s(t), mediante un filtro. El resultado obtenido se usa como señal dereferencia para el FA. Otro método más complejo es la compensación instantánea de potencia reactiva,en la cual, una transformación ortogonal instantánea se emplea en las señales de latensión y la corriente generando una función de potencia [46], [47]. A partir de estafunción de potencia es posible separar la información de la componente de frecuenciafundamental y las componentes armónicas. Las técnicas de corrección en el dominio del tiempo incluyen esquemas de controllineal y control no lineal, cada uno con sus ventajas y desventajas. En esquemas de control lineal, el modelo del sistema se basa en una linealizaciónen el punto de operación, aplicando controladores como Proporcional - Integral (PI),Proporcional – Integral - Derivativo (PID), generadores PWM por portadora triangular,banda de histéresis o controladores predictivos [46]. En este tipo de esquemas, es pococomún, utilizar control por detección adaptable (filtros adaptivos) [37], pero su aplicaciónen trabajos de investigación como el presente, puede ser de considerable utilidad como semostrará más adelante. En esquemas de control no lineal se pueden aplicar estructuras basadas enmodelos no lineales, con controladores del tipo modos deslizantes, control por pasividado controladores inteligentes, del tipo difuso (fuzzy logic) y neuronal [46]. • Corrección en el dominio de la frecuencia La corrección en el dominio de la frecuencia está basada en el principio de Fouriery la periodicidad de la forma de onda distorsionada, ya sea de tensión o de corriente. Enlas primeras aplicaciones de este método en filtros activos se usó la inyecciónpredeterminada de armónicos en sistemas donde existían armónicos conocidos deantemano. En aplicaciones mas recientes, la transformada de Fourier se usa paradeterminar en tiempo real los armónicos a compensar. Una vez que se obtiene latransformada de Fourier de la corriente de carga, se calcula una función de conmutaciónpara que el inversor genere una salida que cancele la distorsión. La función deconmutación puede ser de dos o tres estados y la frecuencia de conmutación (fSW) delinversor del FA deberá de ser al menos dos veces la frecuencia del armónico más alto quese desea compensar [46]. 40
  • 47. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control III.3.2 Selección del control Con lo presentado en la sección I.6.2, se tiene que los métodos de detección deCRA convencionales son afectados por la distorsión del voltaje, puesto que son sistemasutilizados en lazo abierto - sensibles a las variaciones de los parámetros de loscomponentes y a las condiciones de operación -. Esto afecta directamente la precisión dela medición; por ello se optó por una solución que supere dichas limitaciones y quepermitiera seguir la estrategia planeada en la sección III.2.1: el método de detecciónadaptable. Este método se basa en un sistema en lazo cerrado, que emplea la cancelaciónadaptable de interferencias; entre sus ventajas ya comentadas destacan: las característicasde operación del sistema es casi independiente de las variaciones de los parámetros de loselementos; cuando la frecuencia fundamental se desvía, ocurre una distorsión en la fuentede voltaje de CA, el sistema opera adecuadamente como si estuviera funcionandonormalmente y tiene una capacidad excelente de adaptación [37]. III.4 Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas (CDCRA) El CDCRA es el encargado de detectar las componentes reactiva y armónicas quecontaminan a la red eléctrica en el PCC y que deben de ser reducidas, por lo menos avalores dentro de las normas. El método de detección está basado en un filtro adaptable.Los filtros adaptables están generalmente implementados por medios digitales (software),ya que esto es más sencillo que su contraparte analógica. Sin embargo, por lo general ladetección digital, no es tan rápida como la detección analógica [48]. Debido a que losequipos de compensación dinámica requieren una detección rápida de armónicos, elsistema de detección presentado por [37] consiste completamente de circuitos analógicos. En seguida se presenta una descripción detallada de las etapas que componen alCDCRA desde su diseño hasta su implementación electrónica. En el Apéndice C sepresentan los resultados mas representativos obtenidos en la simulación. III.4.1 Método de detección adaptable para corrientes reactivas y armónicas El método de detección adaptable para CRA, esta basado fundamentalmente en latécnica de Cancelación de Interferencia Adaptable, la cual ha sido utilizada ampliamenteen años recientes. Esta puede mantener el sistema en el mejor estado de operación conautoestudio y autoajuste continuo. La situación básica de la cancelación de ruido seilustra en la figura III.2. Una señal se transmite sobre un canal a un sensor que recibe laseñal s, más un ruido no relacionado, no. La señal y ruido combinado s + no, forman “laentrada primaria” al cancelador. Un segundo sensor recibe un ruido n1, el cual no tienerelación con la señal, pero se correlaciona de alguna manera con el ruido no. Este sensorprovee la entrada de referencia al cancelador. El ruido n1 se filtra para producir una saliday, la cual es una replica aproximada de no. Esta salida se extrae de la entrada primaria s +no, para formar la salida del sistema, s + no - y. 41
  • 48. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control + ε Fuente de Señal Entrada Primaria s + n0 - Y Salida del Sistema Entrada n1 Fuente de Ruido Filtro Adaptivo Cancelador de Ruido Adaptivo Figura III.2.- Concepto de la cancelación de ruido adaptable. En el sistema mostrado en la figura III.2, la referencia de entrada esta procesadapor un filtro adaptable, el cual automáticamente ajusta su propia respuesta a través de unalgoritmo de mínimos cuadrados. Así el filtro puede operar bajo condiciones de cambio ypuede autoajustarse continuamente para minimizar la señal de error (ε). Se puede probarque la salida del filtro (Y), es una mejor estimación de mínimos cuadrados del ruidoprimario (no), cuando el filtro esta ajustado, ya que elevado a una potencia la señal deerror ε, se minimiza. La situación ideal es cuando el mismo ruido en la entrada primaria como en laentrada de referencia se elimina por completo, y la salida del sistema contiene solamentelas mismas componentes de la señal de entrada de referencia. Hablando concretamente en la aplicación de FA, la componente fundamental en lacorriente de la carga y el voltaje de la fuente de AC están mutuamente correlacionados. Siel voltaje fundamental actúa como la entrada de referencia y la corriente de la carga nolineal (CNL) como la entrada primaria, será similar a la situación anterior; la entrada dereferencia es procesada por un filtro adaptable para producir una señal de salida queiguala a la señal fundamental de la entrada primaria en amplitud y fase. Esta salida essustraída de la entrada primaria para cancelar su componente fundamental yconsecuentemente la salida del sistema será la suma de todas las componentes armónicas.Además, si la señal de referencia está sincronizada a la componente fundamental activa,entonces solamente la componente activa será eliminada, por lo que se tendrá a la salidadel sistema la suma de las corrientes reactiva y armónicas [37]. ∫ Figura III.3.- Diagrama a bloques del CDCRA. 42
  • 49. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control III.4.1.1 Estudio de la función de transferencia del CDCRA En la figura III.3, se tiene el diagrama a bloques del CDCRA. En él se tienen lassiguientes etapas: dos de ganancia constante (G1, G2); dos multiplicadoras con dosentradas cada una (M1, M2); otra de integración y una sumadora. Con base a dicho diagrama, se procede a obtener la función de transferencia, delCDCRA. Para ello será necesario seccionar el lazo de retroalimentación en tres etapasprincipales denotadas por las salidas Vx, Vy y Vz con la finalidad de facilitar su manejoalgebraico. Inicialmente, se obtendrá la ganancia del integrador, el cual esta constituido porun amplificador operacional (opamp), cuya configuración se tiene en el diagrama E.2(apéndice E). Las ecuaciones (III.1) y (III.2) denotan la tensión y corriente de salida delintegrador en el dominio de Laplace.  1  − Vo = I 2   ec. (III.1)  SC  Vi I 2 = I1 = ec. (III.2) R Sustituyendo (III.2) en (III.1) y despejando Vo/Vi, se tiene la ganancia delintegrador, I(S) en la ec. (III.3): Vo 1 1  1 I= =−  =− ec. (III.3) Vi R  SC  SRChaciendo τ = RC se obtiene 1 I =− ec. (III.4) Sτy como los valores de R y C son fijos, se puede manejar a − τ −1 como una constante Gi,es decir: Gi = −τ −1 . La ganancia de la etapa de integración es la ec. (III.5) Gi I (S ) = ec. (III.5) S Del diagrama a bloques, se tiene que la salida en Vx es igual a: Vx = G1 (Vo( S )V R ( S ) ) = G1 .Vo( S )V R ( S ) ec. (III.6) 43
  • 50. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Controlsiendo VR(S) una señal sinusoidal a 60 Hz, por lo que: ω2 VR (S ) = A 2 ec. (III.7) S +ω2sustituyendo (III.7) en (III.6): ω2 Vx = G1Vo( S ) A ec. (III.8) S2 +ω2 Por otro lado se tiene para la salida Vy: Vy = I ( S )Vx( S ) ec. (III.9)sustituyendo (III.5) y (III.6), en (III.7) se tiene: G  ω2  ω2 Vy =  i  G1Vo( S ) A 2   = Vo( S )G1 AGi 3   S  S +ω2  S + ω 2S ω2 Vy = Vo( S )Gi G1 A ec. (III.10) S (S 2 + ω 2 )ahora, para la salida Vz: Vz = G2 (Vy ( S )VR ( S ) ) ec. (III.11)sustituyendo (III.10) y (III.7), en (III.11) se tiene:  ω2  ω2  Vz = G2 Vo( S )Gi G1 A 2   A 3  S + ω 2 S    S +ω2   2 1  ω2  Vz = Vo( S )Gi G1G2 A .  2 2  ec. (III.12) S  S +ω2   si se hace K = Gi G1G2 A 2 , se tiene la ecuación (III.13): 2 1  ω2  Vz = Vo( S ) K  2  ec. (III.13) S  S +ω2    Por otro lado, en la etapa sumadora se tiene: Vo = Vi ( S ) + Vz ( S ) ec. (III.14) 44
  • 51. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Controlsustituyendo (III.13) en (III.14) se tiene: 2 1  ω2  Vo( S ) = Vi ( S ) + Vo( S ) K  2  ec. (III.15) S  S +ω2   factorizando Vo(S) de la ec. (III.15), resulta la ec. (III.16):  1  ω2  2  Vo( S ) 1 − K  2   = Vi ( S ) ec. (III.16)  S  S +ω2      de la ec. (III.16) se puede despejar a Vo(S)/Vi(S):  S (S 2 + ω 2 )2 − Kω 4  −1 −1 Vo( S )   2 1  ω2  = 1 − K  2   =  Vi ( S )  S  S +ω2       S (S 2 + ω 2 ) 2     Vo( S )  S (S 4 + 2 S 2ω 2 + ω 4 ) − Kω 4  −1 −1  S 5 + 2 S 3ω 2 + Sω 4 − Kω 4  = = S (S 4 + 2S 2ω 2 + ω 4 )    Vi ( S )   S 5 + 2 S 3ω 2 + Sω 4  Finalmente, resolviendo el inverso de esta última ecuación, se obtiene la funciónde transferencia que representa el desempeño funcional del CDCRA, denotada por la ec.(III.17): Vo( S )  S 5 + 2 S 3ω 2 + Sω 4  = 5 4  ec. (III.17) Vi ( S )  S + 2 S ω + Sω − Kω  3 2 4donde ω = 2πf = 2π (60 Hz ) = 377rad / seg y el valor de k esta dado por K = Gi G1G 2 A 2 .De la ec. (III.17) se puede deducir que el CDCRA es un sistema de 5º orden. Su respuestaen frecuencia es la de un filtro tipo muesca. La frecuencia de corte se tiene a los 60Hz, ylas pendientes son tan pronunciadas que le permiten ser muy selectivo, como se presentaen la sección siguiente. III.4.1.2 Efecto del valor de ganancia en el lazo de retroalimentación La respuesta de la función de transferencia pude ser manipulada mediante laconstante K. La ec. (III.17) muestra que K, a su vez, es directamente proporcional a lasganancias de las etapas y al cuadrado de la amplitud máxima de la señal de referencia;además es inversamente proporcional a τ = RC, la constante del integrador. 45
  • 52. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control Los valores sugeridos de acuerdo con las simulaciones en PSpice (Apéndice C)son Gi = 1 , G1 = −0.1 , G 2 = 0.5 y τ = RC = (6.8 KΩ)(0.47 µF ) = 0.0032 y V = 2 . V esla amplitud máxima de la señal de referencia. De esta manera la función de transferenciaqueda como: Vi S 5 + 2.842e5S 3 + 2.02e10S = 5 ec. (III.18) Vo S + 2.842e5S 3 + 2.02e10S + 1.264e12los valores en [37] son Gi = −1 ; G1 = 0.1 ; G 2 = 0.1 ; τ = (470kΩ)(0.47 µF ) = 0.2209 yV = 2 [37]. De esta manera la función de transferencia queda como: Vi S 5 + 2.842e5S 3 + 2.02e10S = 5 ec. (III.19) Vo S + 2.842e5S 3 + 2.02e10S + 3.658e9 CDCRA CDCRA 0 0 -10 -10 Amplitud (db) Amplitud (db) -20 -20 -30 -30 -40 -40 -50 -50 -1 0 1 2 3 -1 0 1 2 3 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz) 100 100 80 80 Fase (°) Fase (°) 60 60 40 40 20 20 0 0 -1 0 1 2 3 -1 0 1 2 3 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz) Figura III.4.- Diagrama de Bode de la Figura III.5.-. Diagrama de Bode de la ec. ec.(III.18). (III.19). En las figuras III.4 y III.5 se tienen los diagramas de Bode para las funciones detransferencia de las ecuaciones (III.18) y (III.19) respectivamente. De lo anterior se tieneque el último caso es más selectivo en la frecuencia que atenúa (f = 60Hz). Aquí se tieneque un valor importante en el comportamiento del sistema de control es la K, la cualdepende de los valores de las ganancias; en especial de la constante τ del integrador, quepara nuestro caso se ha manipulado variando R. III.4.2 Diseño e implementación del CDCRA Se sabe que uno de los elementos claves para el eficiente desempeño de este tipode diseños analógicos, radica en la selección adecuada del amplificador operacional, dadoque sus características eléctricas son determinantes para el eficiente funcionamiento de laetapa que forma parte. Dichas características son: niveles de Offset, Slew rate, 46
  • 53. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Controlimpedancias de entrada, consumos, CMRR, etc. Se consideraron todos los parámetrosque podrían afectar de una manera directa al desempeño y la precisión del diseño [49]. Elopamp seleccionado fue uno de alta precisión, el CI OP271 de Analog Devices (AD). Supresentación compacta de 2 opamps por encapsulado simplifica las conexiones físicas.Además, debido a la alta impedancia de entrada en los opamps y los multiplicadores, nohubo necesidad de algún seguidor de voltaje entre etapas, garantizando un buenacoplamiento de señales, mitigando efectos por cualquier fuente de ruido [50]. Es sabidala importancia que guarda el acoplamiento de etapas en circuitos analógicos; sobre todocuando se manejan señales del orden de mV. En el capítulo V se presentan los resultadosmas significativos del CDCRA. En el diseño, el punto suma y el restador se implementaron con opamps OP271,con ganancia unitaria [51]. Para la rama de retroalimentación los elementos claves son losmultiplicadores y el integrador (U2, U4 y U3 respectivamente del diagrama E.2,apéndice E). Para los multiplicadores se utilizó el CI AD633JN [52] de 4 cuadrantes dada susimplicidad, bajo costo y su precisión aceptable (error total de 2% del fondo de escala).La salida de cada multiplicador esta dividida por 10; por ello las ganancias G1 y G2 deldiagrama a bloques del CDCRA (figura III.3) son menores a 1. Se evaluaron también las hojas de datos de multiplicadores como el MC1495 yMC1494 de Motorola [53]. Las características eléctricas eran similares al AD633JN,excepto el ancho de banda; en Motorola es mayor al de AD. Sin embargo ello no esrelevante, puesto que se va a operar a bajas frecuencias (menos de 1kHz). Por otro lado elencapsulado del AD es de 8 pines y los de Motorola de 14 pines, ya que cuenta con factormultiplicativo ajustable. Para el integrador y el amplificador (U3) se utilizó el CI 0P271, por su respuestarápida, necesaria en la integración. Otro elemento importante en la etapa de integración esel condensador. En este elemento se deben evitar las pérdidas en el material deldieléctrico [54], debido a que afectaría el resultado esperado y en consecuencia ladetección fiel de las señales deseadas [55]. En el integrador del CDCRA se uso uncondensador de poliéster de 0.47 µF, al 5% de tolerancia (valor comercial decapacitancia). III.5 Integración del CDCRA al SFIPA III.5.1 Diagrama a bloques En la sección I.7 se tiene de manera general la configuración de este trabajo deinvestigación, es decir la etapa de filtrado activo en la plataforma funcional del SFIPA.En el diagrama de la figura III.6 están los bloques funcionales del prototipo. En estasección y en el capitulo IV, se describirá cada uno de ellos con la finalidad de presentarclaramente la filosofía de operación y los principios fundamentales de cada elemento. 47
  • 54. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control PMP RED = TRAFO FILTRO DE ELÉCTRICA ELEVADOR SALIDA BUS CELDAS C INVERSOR FV SEÑALES DE PROTECCIONES CONTROL ZL VH2 - VCA + VP+VQD VQD VH1 + CDCRA Set Point + VP Figura III.6.- Diagrama a bloques del Sistema de Cogeneración con Funciones de Filtro Activo Integradas. III.5.2 Set point La señal de referencia o el set point como se le conoce en el argot del control y lainstrumentación, es la referencia que seguirá la salida del inversor del SFV y que seráinyectado a la red eléctrica. En otras palabras, es la señal acondicionada apropiadamenteque debe ser amplificada en potencia, de manera que el SFV suministre la energía activadisponible en el arreglo FV y compense la energía no activa que afecta la calidad de lared eléctrica en el PCC a donde está conectado. Partiendo de la figura III.6 la señal no activa (VQD) entregada por el bloqueCDCRA y la señal activa (VP) entregada por el PMP, son las entradas del punto suma. Lasumatoria resultante VP+VQD, es la señal de set point del sistema. Aparte de suscaracterísticas intrínsecas, ambas señales tienen comportamientos distintos en amplitud,lo que se verá reflejado en la amplitud resultante del set point. Referente a los comportamientos distintos en amplitud se tiene que: VP es elresultado del algoritmo de localización del PMP, controlado por medio de unmicrocontrolador (CI U24), el cual a su vez manipula un potenciómetro digital (CI U23),para variar la magnitud de la corriente activa que será inyectada a la red (ver figura III.7 ydiagrama E.4 del apéndice E). Por otro lado, VQD no cambiará el valor de su magnitud(incluso en la forma de onda) a menos que las condiciones de la CNL lo hagan. Por loanterior se puede deducir que la señal de set point será más frecuentemente variable enamplitud debido a Vp; y aunque no tan frecuente, (incluso con valores mayores que Vp)debido a VQD. En la sección V.5 se presentan resultados más representativos sobre el setpoint. 48
  • 55. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control III.5.3 Implementación En esta etapa se integró en el control del SFIPA el CDCRA. Esto fue a través deuna etapa sumadora con opamps de precisión (CI U8 del diagrama E.2, apéndice E). Seacondicionó con ajustes de ganancias y de offsets. Los resultados obtenidos fueronbastante satisfactorios como se podrá comprobar en el capítulo V. Con base en locomentado para este diseño se consideró: la organización del diseño (menor espacio), loselementos pasivos que se utilizan, la construcción física del circuito impreso, el ambienteen el que debe operar, las trayectorias que siguen los conductores con los que se aplicanlas entradas al circuito, etc. Todo ello a manera de evitar ruidos que interfirieran lasseñales procesadas en las diferentes etapas del control, tanto en la parte analógica comoen la parte digital En este prototipo se manejan comparadores de tensión cuyas salidas se conectan acircuitos digitales del tipo TTL (CI´s U9, U17 y U18 del diagrama E.6 del apéndice E),por lo que cualquier ruido o señal inestable (i.e: las componentes de la fSW) provocaría unfuncionamiento inadecuado. Por otro lado, las fuentes de alimentación de las etapasanalógica y digital no tenían un filtrado adecuado, y cualquier interferencia podía serinducida; sobretodo la etapa analógica que es más vulnerable en sus líneas dealimentación. En este último punto se interconectaron condensadores de desacoplo. Lo anterior se evitó con un análisis cauteloso en la distribución de las tierras(analógica y digital) con la finalidad de minimizar las inductancias presentes en elcircuito impreso. También se contemplaron tanto los blindajes de las señales como losplanos de tierra. Inclusive se optó por procurar un blindaje de Faraday (i.e: en lasinterfaces analógicas-digitales) para contrarrestar el efecto del acoplamiento capacitivo[56]. III.6.- Técnica de modulación III.6.1. Sincronización con la línea Dado que se trata de un generador conectado a la red eléctrica, la carga delusuario siempre se encuentra conectada tanto al inversor como a la red. Por lo tanto, parano reducir el FP de la línea ante cualquier carga, es necesario que la corriente generadapor el inversor este sincronizada o en fase con la tensión de la red, evitando inyectarreactivos indeseados. En la figura III.7 se muestra el diagrama del circuito que logradicha sincronización; se observa que es necesaria una señal senoidal VCA comoreferencia, la cual es una muestra directa de la red. Los inversores con regulación de corriente son los más utilizados en la interfaz deSFV con la red, dada la estabilidad que se tiene al regular corriente mediante un inductor.Con ello se tiene un sistema de potencia confiable para este tipo de aplicaciones. Existenvarias técnicas de regulación de corriente basadas en un control de lazo cerrado (en elprototipo, la señal de retroalimentación VH2), que permiten ajustar en todo momento lacorriente de salida, a la señal de referencia mediante una señal de error. Dicha señalgenera un patrón de conmutación para los interruptores de potencia, de manera que lacorriente de salida del inversor siga al set point del control. 49
  • 56. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control Bus i de CD + LF C VPV VCA - Señales de Control VH2 _ Circuito de VH1 VQD tiempo CDCRA + + muerto + Set Point (VP+VQD) Referencia VCA VP fO µC Figura III.7 Diagrama del circuito de sincronización con la línea. La frecuencia de conmutación (fSW) es un parámetro de entrada en el control decorriente, en este caso como se trata de un control por histéresis, dicha frecuencia esvariable, y la frecuencia máxima estará definida por la misma banda de histéresis [17]. Según [17], los inversores de corriente controlada inyectan una corrientesinusoidal a la red, normalmente en fase con la tensión, sin importar el nivel de distorsiónarmónica que éste presente (aunque para este trabajo, ello no es relevante debido a lasfunciones de FA). La ventaja en este tipo de inversores, es que el control es más simple yrobusto. Aunque, su desventaja fundamental es que no pueden alimentar cargas nolineales en modo aislado [57]. III.6.2 Acondicionamiento de la señal de referencia de línea La señal VCA es una referencia completamente sinusoidal, tomada de una muestrade tensión alterna de la línea eléctrica a donde está interconectado el SFV. Esta referenciase utiliza tanto en la etapa de modulación (VCA), como por el CDCRA descrito en lasección III.4.2. (VR). Como se expone en seguida, debido a la diferencia de amplitudes enel diseño, VCA es una atenuación de VR. En la figura III.8 se tiene el diagrama a bloques del circuito que acondiciona laseñal de referencia (véase el diagrama E.1 del apéndice E). A continuación se describe sufuncionamiento. 50
  • 57. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control T. Reductor FPB Defasador VR VLÍNEA Reloj Atenuador VCA Figura III.8.- Acondicionamiento de la señal de referencia. El circuito proporciona la señal de referencia a partir de la tensión de línea. Seutiliza un transformador reductor (T1), para que la tensión se encuentre en los niveles de±Vcc del circuito de control. Posteriormente se tiene un filtro pasa bajas (FPB), cuya función es obtener lacomponente fundamental de la tensión de línea. El FPB se implementó con el CIMF4CN-100 (U10). Este CI U10 es un filtro Butterworth de 4º orden, basado en latécnica de condensadores conmutados, por lo cual requiere de una señal de reloj. Seseleccionó un filtro de 4º orden debido a la presencia de un 3er y 5º armónico en la tensiónde línea, la presencia de estos armónicos ocasiona que la corriente generada no seapuramente senoidal. Se propone una frecuencia de corte para el filtro de fc = 100 Hz. Laseñal de reloj está a una frecuencia de 10 kHz, ya que la fc del FPB es 1/100 parte de lafrecuencia de reloj, según especifica el fabricante en la hoja de datos [58]. Uninconveniente lo constituye el hecho de que el filtro es un sistema muestreado, lo queimplica que en la salida aparecerá ruido a la frecuencia del reloj, sin embargo, dado queesta frecuencia es mas elevada que la de corte, el ruido puede eliminarse con facilidadagregando en serie con la salida un filtro pasivo de primer orden, teniéndose la ventaja detener un FPB de 5º orden [59]. En seguida, se tiene un circuito desfasador (CI U12B) después del FPB; esto esporque el CI U10 ocasiona un desfasamiento de la señal de referencia el cual se debecompensar para garantizar que la corriente generada esté en fase con la tensión de línea.La salida de este bloque es la referencia VR. Finalmente, a partir de VR se obtiene VCA a través de un bloque atenuador. III.6.3 Señales de control para los interruptores de potencia Las señales de disparo para los interruptores de potencia (IGBT´s del inversor) seobtienen a partir de un controlador por histéresis (figura III.9). La desventaja principal deeste método de control, es la fSW variable a lo largo de un ciclo de línea, aunque no afectade manera considerable el funcionamiento del SFV. Además, la implementación de estemétodo es muy sencillo y cuenta con una buena respuesta dinámica, la sincronía con lalínea se obtiene de forma automática al tomar la señal de referencia directamente de lalínea (VCA). 51
  • 58. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control Set Point Circuito de + tiempo (VP+VQD) - muerto ∆Ι VH2 Figura III.9.- Controlador de corriente por histéresis. La comparación por histéresis que se efectúa es entre la señal de set point, que sellamará en esta sección IREF y la retroalimentación de la corriente VH2, tomada a la salidadel SFV, en el secundario del transformador elevador y denotada por IINV. Las señalesque resultan de la comparación en el CI U7, se utilizan para controlar el encendido yapagado de los interruptores de potencia. La banda de histéresis está determinada por ∆I,tales señales se pueden ver en la figura III.10. El estado de conmutación de apagado aencendido aparece cuando la corriente IINV tiende a ser menor que la corriente IREF más suincremento (IREF - ∆I/2). La conmutación inversa, de encendido a apagado, se presentacuando la corriente IINV empieza a exceder un valor determinado, dado por IREF + ∆I/2. Seagrega un circuito adicional de tiempo muerto que permite que uno de los interruptoresde una misma rama se apague, antes de que el complementario se encienda lo que evitaposibles corto circuitos en el bus de CD (sección IV.4.6). Figura III.10.- Obtención de las señales de control para los interruptores de potencia. En operación normal, este tipo de modulación producirá una forma de onda decorriente que sigue la forma de onda de la tensión de red, con un rizo sobrepuesto, ∆I. Laamplitud del rizado es directamente proporcional a la banda de histéresis y a la magnituddel inductor de salida. El contenido armónico es inversamente proporcional a la amplitudde la corriente generada a la salida del sistema, es decir, debido a que se tiene una bandade histéresis fija, si la corriente de salida es pequeña, el rizado ∆I en comparación con lacorriente generada es considerablemente grande, por lo que aumenta el contenidoarmónico. Cuando la corriente generada tiene una amplitud más grande que la amplituddel rizado ∆I, disminuye la distorsión armónica en la señal de salida del sistema [17]. 52
  • 59. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control III.7 Etapa de protecciones y seguridad Esta etapa es de gran importancia, ya que evita accidentes y daños en el equipoinstalado, en los usuarios y en el personal de mantenimiento de la compañía proveedorade la energía eléctrica. Se tienen las protecciones que incluye el fabricante de losmódulos impulsores para los interruptores de potencia, y además las que fueronimplementadas en el prototipo. Las protecciones que se implementaron son: sobrecorriente eléctrica en la salidadel inversor (semiciclo positivo y negativo), el efecto islanding, y la inyección de CD a lared eléctrica. Además, la etapa de protecciones cuenta con leds piloto que indican:funcionamiento adecuado (verde), la presencia de falla (rojo) y paro manual (ambar);para que tanto el usuario como el personal correspondiente tenga conocimiento del estadodel prototipo y permita tomar medidas adecuadas. En esta etapa, las salidas de cada circuito de protección alimentan un circuitodigital con enclavamiento, el cual actúa directamente sobre la salida de las señales deconmutación que disparan a los interruptores de potencia. La condición de fallapermanece hasta que se efectúa un reinicio manual (START) para intentar volver a operaradecuadamente. El propósito de mantener el estado de falla y reiniciar manualmente, espara evitar que se active nuevamente la protección. Es decir, cuando los IGBT´s seinhabilitan, la corriente que circula a través de ellos decrece hasta llegar por debajo dellímite permitido de corriente, temperatura o tensión. En ese momento la condición defalla desaparece, pero si la causa que origina la falla permanece, entonces la protección seactivará nuevamente y podría repetirse indefinidamente. Ahora, si la falla ha sidocorregida, al pulsar START los IGBT´s recibirán nuevamente las señales de conmutaciónpara poner en marcha al inversor. III.7.1 Sobrecorriente Una de las consideraciones más importantes en cualquier módulo de potencia, esla de protección contra sobrecorrientes. En el prototipo, dicha protección se lleva a cabosensando la corriente de salida del inversor, VH2 (en el secundario del transformadorelevador). Esta señal se lleva a una etapa amplificadora y finalmente a un comparador deventana donde los limites máximos para el semiciclo positivo y negativo se fijan pormedio de potenciómetros de precisión, cuyos valores pueden ajustarse en cualquiermomento. El funcionamiento es como sigue: si el comparador de ventana detecta un nivelde corriente superior a cualquiera de los limites, se activa su salida y deshabilita laconmutación de los interruptores de potencia. El valor de dichos límites, con respecto alos establecidos en el SFIPA se modificaron, debido a las funciones de FA. Es decir, lamagnitud de la corriente no activa es mayor que la activa, por ello la ventana decomparación se amplio tomando en cuenta la capacidad de corriente de los interruptoresde potencia. Sin embargo, los módulos de IGBT´s utilizados cuentan con un circuitoimpulsor (ver sección IV.4.2) el cual provee una señal de control que inhibe lasconmutaciones de los IGBT´s, en caso de presentarse una sobrecorriente. Estos circuitos 53
  • 60. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Controlimpulsores también activan una señal de protección, en el control por baja tensión ysobretemperatura. Se puede pensar que como el sistema es regulado en corriente, puede ser tolerantea cortos circuitos en la carga, pero si por alguna razón (i.e.: mal funcionamiento delcircuito de control o algún problema en la instalación) la señal de referencia desaparece yla corriente de salida al intentar compararse con la referencia en el control por histéresis,hará que se tenga una corriente muy elevada a la salida, ya sea en el semiciclo positivo onegativo, activando inmediatamente esta protección; lo que la hace indispensable. III.7.2 Aislamiento de línea (Islanding) El término: aislamiento de línea (islanding) [60], se refiere a la operación continuade uno o varios generadores de potencia dispersos en toda la red (en este caso los SFV),sobre una sección aislada de la línea de distribución. Es decir, cuando algún generadorllega a trabajar en forma de isla con la carga y desconectado de la línea. Esto ocurre si uninversor está operando con una carga exactamente acoplada, en ese instante puede ocurrirque la conexión con la red desaparezca debido a la operación de interruptores quedesconectan al generador de la línea [61]. El término “carga exactamente acoplada” serefiere a que el flujo de potencia proveniente de la red es nulo, es decir, cuando existe ungenerador interconectado con la línea, que entrega toda la energía demandada por lacarga. Esta desconexión puede ser causada por alguna falla en el sistema o por razonesde mantenimiento. Bajo estas condiciones los generadores conectados a la red puedenalimentar a una carga aislada por algún tiempo si no existe un método de detección. Estopuede ocasionar condiciones indeseables e inseguras, sobre todo al personal de lacompañía eléctrica si la desconexión se llevó acabo para dar mantenimiento a sus líneasde distribución. Para evitar los daños que puede ocasionar el fenómeno islanding, en materia denormatividad se ha establecido que todo equipo generador debe desconectarse de la red,cuando su voltaje o frecuencia estén fuera de los límites especificados (en México loslímites están en [21]), en un tiempo no mayor a 2 seg [62]. En la ausencia del fluidoeléctrico, el paro del SFV es obligatorio. La reconexión, puede llevarse a cabo hasta quela tensión y frecuencia de la red vuelvan a estar operando dentro de los limitesestablecidos. Un tiempo típico para verificarlo es por lo menos 30 a 120 seg. [61]. La implementación de esta protección se llevó a cabo por medio de la utilizaciónde un CI MID400 (U15 del diagrama E.5, apéndice E) de QT Optoelectronics, el cual esun monitor de línea que proporciona una señal de control TTL cuando la tensión de líneadesaparece, logrando que el SFV deje de operar hasta que se restablezcan las condicionesnormales. 54
  • 61. CENIDET Capítulo III. Diseño de la Etapa de Control III.7.3 Inyección de CD Inyectar corriente de CD a la línea de distribución puede tener consecuenciasconsiderables [63], por ello las normas establecen que por ningún motivo se debe inyectarcomponentes de CD a la red eléctrica. Un ejemplo de ello se puede presentar cuando elpersonal de la compañía eléctrica, dando mantenimiento a las líneas, al abrir las cuchillascorrespondientes, podría verificar la ausencia de voltaje de CA, sin embargo una líneaaislada alimentada con un voltaje de CD muestra 0 VCA, ignorándose completamente unnivel de CD inyectado en dicha sección de la red eléctrica; lo cual conduce a unasituación peligrosa para el personal citado [64]. Otro ejemplo es la presencia de tensiónde CD en un sistema de distribución de CA, lo cual es una circunstancia indeseableconsiderando que las cargas de CA y el secundario del transformador de distribución seve representado como un corto circuito para ella. Además, los altos niveles de corrientede CD que se producirían podrían causar una saturación en la distribución deltransformador (en la acometida eléctrica). En la práctica, la inyección de corriente de CD en el transformador simplementedesplazará el punto de operación de la curva de flujo. El flujo está en función de lacorriente, sin tomar en cuenta si es CA ó CD, incluso el signo. A plena carga eltransformador se verá obligado a trabajar cerca de la saturación del lado en el cual haocurrido el desplazamiento. Debido a la técnica de modulación seleccionada para el diseño de este prototipo,la probabilidad de que ocurra la inyección de CD a la red eléctrica es alta, por lo que laprotección es necesaria. La ocurrencia se puede dar en cualquier momento que algúnsemiciclo (positivo o negativo) del patrón de conmutación sea mayor que el otro, es decir,cuando el valor promedio de CD no es cero. Esta situación es indeseable y se evita de dosmaneras. La primera, por medio del aislamiento eléctrico (o galvánico) de untransformador elevador interconectado entre el inversor del SFV y la red eléctrica. Sufunción, es impedir el paso de un nivel de CD a la salida del sistema, y su diseño serápresentado en la sección IV.5. La restante en la señal de set point, evitando las tensiones de offset en las diversasetapas que conforman el control analógico, sobre todo en la entrada a etapasamplificadoras (como las provenientes de los sensores de corriente). Ello se solucionócon los opamps de precisión, con su bajo nivel de offset (en el orden de µV) [65]; y en sudefecto, implementando mallas de compensación de offset, para opamps y circuitos defunciones especiales con valores de mV. (Véase el diagrama E.3, apéndice E). Finalmente, cabe señalar que la posibilidad de eliminar cualquier componente deCD en el control analógico por medio de condensadores de paso (o bypass) quedódescartada, debido al desfasamiento inherente que estos introducen pudiendo contribuir auna degradación paulatina del FP, debido a la variación de sus valores con elenvejecimiento, temperatura, etc. (ver sección III.6.1). 55
  • 62. CAPÍTULO IV Diseño de la Etapa de Potencia IV.1 Introducción En este capítulo se presenta el diseño de la etapa de potencia. En la primera parte semuestra un análisis teórico simple, cuya finalidad es facilitar la comprensión de la filosofíade funcionamiento del equipo a lo largo del día. Esto a manera de comparación, ya quecuando se habla de la capacidad instalada de un SFV típico, es común pensar que suutilidad esta limitada al 50%; debido a que durante la noche el equipo permanece ocioso. Posteriormente, se presentan los diseños específicos de cada elemento involucradocon esta etapa, que son los componentes pasivos y los dispositivos semiconductores depotencia. Se abarca desde los cálculos matemáticos, hasta su implementación eléctrica. Secomentan los compromisos y las consideraciones pertinentes, que se llevaron a cabo con lafinalidad de conseguir una alta eficiencia del sistema en general, tanto en su propiofuncionamiento, como en su interacción con el conjunto red-usuario; sobretodo en materiade Calidad de la Red y de eficiencia energética. También, aunque de manera elemental, seestiman las pérdidas de energía en el inversor.
  • 63. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia IV.2 Flujo de energía Se empezará por analizar el flujo de energía, mediante diagramas fasoriales. Debidoa lo poco práctico que resulta para este análisis manejar el sistema de potenciastridimensional (P-Q-D), únicamente se considerará la corriente reactiva, más no lasarmónicas. Por lo tanto se omitirá el fasor de potencia de distorsión (fasor D), y se recurriráal plano de potencias P-Q. A continuación, se tienen dos casos que describen el funcionamiento del presentetrabajo. El caso I, es durante el periodo de insolación. En él, se muestra la manera en queopera el prototipo para la compensación de potencia activa y reactiva. Finalmente en elcaso II, se tiene la otra etapa de operación del sistema, en el periodo de oscuridad. Estaúltima es una de las ventajas que ofrece el trabajo de investigación presentado, ya que elfuncionamiento del sistema durante la noche, en ausencia de energía solar (y al no tener unmedio de almacenamiento) hace que la capacidad instalada del mismo se aproveche al100% del día y no al 50%, que es lo que dura el periodo de insolación. En ambos casos se tiene el triángulo de potencias que corresponde a la potenciaaparente de: la carga, de la red eléctrica y del prototipo; denotadas por los fasores SC, SCA ySPV respectivamente. Sus componentes correspondientes estarán representadas por Q, parala reactiva y P para la activa. IV.2.1 Caso I: Periodo de insolación En este caso, se tiene que las componentes de la SPV entregada por el prototipo, sonla potencia activa (PPV) y la reactiva QPV, (ver figura IV.1). La PPV compensará lacomponente activa entregada por la red eléctrica (PPV >0). Así también, la QPV compensarála componente reactiva de la potencia demandada por la carga (fasor Qc); lo que deacuerdo con el diagrama de fasores significa QCA=0. Es decir, la red eléctrica solamentesuministraría potencia activa. Este hecho resalta la importancia que tiene un sistema de estetipo para las compañías de distribución eléctrica, dado que el FP de la red mejorará yademás eliminará su contaminación armónica, evitando los problemas y efectos dañinos asus equipos, sobretodo en el periodo donde se presenta la demanda máxima. Q PPV SC QCA = 0 QPV QC PPV > 0 SPV SCA P Figura IV.1.- Diagrama fasorial del prototipo, periodo de insolación. 58
  • 64. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Q QCA = 0 SC PPV = 0 SPV = QPV SCA P Figura IV.2.- Diagrama fasorial del prototipo, periodo de oscuridad. IV.2.2 Caso II: Periodo de oscuridad Para este otro caso, el sistema únicamente opera como FA, compensando potenciareactiva; dado que la celdas FV no están en operación, el término PPV es nulo y se dice queSPV = QPV, (figura IV.2). El resultado será que el sistema compensará la componentereactiva de la potencia demandada por la carga Qc, logrando que la red eléctrica nosuministre componente reactiva, (QCA nula, similar al caso I) y únicamente suministrepotencia activa. Por lo tanto, al compensar la potencia reactiva y armónica (o de distorsión,fasor D) debido al FA, el FP es unitario, las corrientes armónicas se eliminan y entonces laeficiencia de la capacidad instalada de la red eléctrica se eleva. Por lo tanto, la potenciaentregada a los usuarios será 100% activa, por lo menos en el PCC, donde estáinterconectado el prototipo. IV.3 Bus de CD El bus de CD lo conforman los conductores que entregan la tensión del arreglo FVal inversor (figura III.6). En paralelo con estos conductores se interconecta un condensador(CCD) polarizado, que permite mantener un nivel de tensión lo más estable posible. Estemismo condensador, es el elemento que almacena la energía necesaria para lacompensación de potencia reactiva y de distorsión. La tensión aproximadamente constanteque entrega el panel solar es la tensión del bus de CD y en consecuencia, del CCD. Esnecesario señalar que entre el arreglo FV y el bus de CD, debe conectarse un diodo, con laintención de evitar, durante el periodo de oscuridad, que la baja tensión (VFV<1 VCD)presente en los módulos FV, descarguen a CCD. Imposibilitando las funciones de FA. En la red eléctrica existen fenómenos transitorios, provocados por la conexión odesconexión de cargas, o por maniobras de interruptores de potencia en los sistemaseléctricos. Estos fenómenos transitorios introducen fluctuaciones en la tensión en lasterminales del condensador que alimenta al inversor del FA. Por lo tanto, para evitarrepentinas fluctuaciones de tensión, se debe contar con un condensador lo suficientementegrande para absorber tales variaciones [66]. En la sección IV.3.2 se presenta el cálculo deCCD. 59
  • 65. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Figura IV.3.- (a)Gráfica característica del módulo FV sp75 (y sp70) ante variaciones de irradiancia. (b)El Módulo FV (cortesía de Siemens). IV.3.1 Arreglo FV Los módulos de celdas solares del arreglo FV, producen una tensión de CD cuandose exponen a la luz solar; dicha tensión es función de la temperatura, la irradiancia y lacorriente que se extrae de ellas, de manera que se obtiene una curva característica como laque se muestra en la figura IV.3 (a). Como se observa, existe una combinación única V-I enla cual se llega al Punto de Máxima Potencia (PMP). Para aprovechar al máximo las celdas,es necesario operarlas en este punto. A manera de ejemplo, también se muestra el módulosolar sp75, del fabricante Siemens. Por otro lado, el arreglo FV que se requiere para garantizar la adecuada operaciónde cualquier SFV interconectado a la red, es aquel que ofrezca una tensión entre 100 y 150VCD. La potencia del arreglo con la que se realizaron parte de las pruebas en campo con elSFIPA, fue de 1.76 kW obteniendo buenos resultados [17]. Es necesario aclarar que por loanterior y por los objetivos planteados en este trabajo de investigación no fue necesariorealizar pruebas en campo durante su desarrollo; por lo tanto, la tensión del arreglo FV seemuló con fuentes de alimentación de CD de 0-150 VCD a 1 kW, la cual fue suficientepara las pruebas requeridas al prototipo. La capacidad de potencia aparente (S) del prototipo es de 1 kVA, aunque se puedenmanejar 3kVA, dependiendo de la capacidad de potencia de CD que se disponga a laentrada del inversor; ya que el inversor utilizado tiene capacidad para manejar dichapotencia (véase la sección IV.4.1). IV.3.2 Condensador de CD La determinación del valor del condensador de CD (CCD) del FA, se realizatomando en cuenta la potencia instantánea demandada por la CNL, y su valor se obtiene deacuerdo al concepto de balance de energía [67]. Además, se parte de la siguienteconsideración: como el FA solamente debe entregar potencia reactiva, el flujo neto depotencia activa en un ciclo de red es igual a cero. Esto garantiza que el flujo de potenciaactiva hacia CCD (corriente entrando) es igual al flujo de potencia activa desde CCD(corriente saliendo) en un ciclo [68]. 60
  • 66. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Para el diseño de CCD, se contemplan dos posibles circunstancias relevantes,debidas a la dinámica de la CNL. La primera se tiene cuando la corriente de carga varíahacia un valor mayor. Entonces, dicho incremento de corriente debe ser compensado por elFA, y será demandado de CCD; reflejando una disminución de tensión en él. Lo esperado esque el valor de tensión no caiga por debajo de un nivel mínimo estimado. Para ello, laenergía necesaria para pasar del valor inicial (VCR), al valor mínimo debe ser igual alcambio de energía de la carga; como se expresa en la ec. (IV.1). Mediante un simpledespeje, se obtiene el valor de CCD, ec. (IV.2), para estas condiciones. 1 2 ( 2 2 ) 1 C CD VCR − VCmín = Vp∆IT 2 ec. (IV.1) Vp∆IT 180V * 10 A * 16.67ms C CD = = = 2400µF ec. (IV.2) VCR − VCmín 2 2 150V 2 − 100V 2 donde: CCD = Capacitancia en el bus de CD Vcmín = Tensión mínima para CCD = 100 V Vcmáx = Tensión máxima para CCD = 200 V VCR = Tensión de referencia establecida en CCD = 150 V Vp = Valor pico de la tensión de línea = 180 Vp ∆I = Decremento de la corriente de carga = 10 Amp T = Periodo de la tensión de línea = 60-1 seg. En el caso contrario, la corriente de carga varía hacia un valor menor; entonces, lacorriente de línea no puede cambiar en forma instantánea y la corriente en excesosuministrada por la línea se dirige en forma directa hacia CCD, por lo que su tensión puedeincrementarse a valores no permitidos (sobretodo si es el periodo de oscuridad hay ausenciade tensión FV). Por lo tanto, es necesario fijar una tensión máxima (Vcmáx), en CCD. En laec. (IV.3), se presenta el balance de energía reactiva y la ecuación que resuelve el valor deCCD, para tales condiciones es la (IV.4). 1 2 ( 2 ) 2 1 C CD VCmáx − VCR = Vp∆IT 2 ec. (IV.3) Vp∆IT 180V * 10 A * 16.67 ms C CD = = = 1714µF ec. (IV.4) Vc máx − VCR 2 2 200V 2 − 150V 2 Los valores propuestos para los balances de energía, fueron estimados con base a lacapacidad de potencia aparente del prototipo (1 kVA) a la relación del transformador (n=2)para aislamiento galvánico, y los periodos de operación durante el día (insolación yoscuridad). 61
  • 67. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia De los resultados obtenidos para CCD, se optó por el de la ec. (IV.4), debido a que elprototipo no cuenta con alguna etapa que regule el bus de CD, y el incremento en la tensióndel bus, podría ocasionar esfuerzos de tensión en el transformador elevador en ausencia dela tensión del arreglo FV (en oscuridad). Por otro lado, el valor encontrado por la ec.(IV.2), es un valor alto que afectaría la dinámica de respuesta del FA. Además, elincremento de corriente propuesto esta ligeramente alto; es decir, en un incremento de lacorriente de carga difícilmente se tendría el valor ∆I (sobretodo en aplicacionesresidenciales). Sin embargo con el valor de CCD (ec. IV.4) la tensión caería a 90.2 V, lo querelativamente, no es un valor crítico, en caso de suscitarse dicho incremento. En realidad, es difícil para llevar a cabo la implementación del FA, con el valorcalculado para CCD, por lo que una opción es realizar pruebas de laboratorio con los valorescomerciales cercanos al valor calculado para observar la respuesta de la tensión en susbornes cuando existe un cambio en la carga. Por lo tanto, en la implementación del FA seoptó por el valor de 1350µF / 400 VCD. IV.4 Inversor IV.4.1 Dispositivos de conmutación La etapa de potencia del prototipo, está formada por un inversor monofásico puentecompleto construido con módulos de IGBT´s (IGBTMODTM), de Powerex. Estos módulosson del tipo CM75DY-12H [69]. Cada módulo consiste de dos transistores IGBT en unaconfiguración medio puente donde cada transistor tiene conectado un diodo de librecirculación (freewheeling), de recuperación rápida (70ns). La frecuencia máxima deoperación está entre los 20 y 25 kHz. Los componentes e interconexiones están aislados dela placa base de disipación de calor, ofreciendo un sistema simplificado de ensamble ydisipación térmica. Dichos módulos cuentan con circuitos impulsores para suaccionamiento; en la tabla IV.1 se presentan los principales parámetros eléctricos de losmódulos. Tabla IV.1.- Especificaciones del módulo CM75DY-12H Parámetro Eléctrico Símbolo Valor típico Tensión colector – emisor (abierto) VCES 600 V Tensión colector – emisor (saturación) VCES(sat) 2.1 V Tensión compuerta - emisor VGES ±20 V Corriente de colector IC 75 A Corriente pico de colector ICM 150 A Tensión de aislamiento VRMS 2500 V 62
  • 68. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Para el diseño del inversor se consideraron las especificaciones y características delsistema. Su capacidad es de 1 kVA (si el FP es unitario, se tiene entonces que se manejarátambién 1kW de P). Tomando en cuenta la tensión nominal de línea de 127 Vrms, lacorriente máxima generada es de 8 Arms en el secundario del transformador elevador, esdecir 11.13 Apico. La relación de transformación es de 1:2 (sección IV.5), por lo que lacorriente en el primario es de 16 Arms. Para aumentar la confiabilidad en el diseño, elfabricante sugiere que los módulos de IGBT´s deben contar con un margen deconfiabilidad. De acuerdo a [70], para corriente y tensión, los valores calculados deben seriguales al 75% de las especificaciones máximas del dispositivo seleccionado. Es necesarioaclarar que se han utilizado estos dispositivos de conmutación sabiendo que su capacidadsupera la requerida, sin embargo el inversor implementado es utilizado para fines deinvestigación, y cabe la posibilidad de utilizarse en trabajos futuros (i.e: esquemastrifásicos). El uso de IGBT´s como interruptores de potencia, en el diseño de este sistema sedebió a las bondades de estos dispositivos, ya que estos son semiconductores que tienen unmanejo sencillo y, además, la tensión colector-emisor es poco dependiente de la corrientede colector. Las pérdidas que se pudieran ocasionar en los IGBT´s y en los diodos seanalizan más adelante. Es importante mencionar que durante la generación de corriente en un ciclo delínea, se producen corrientes de retorno hacia el arreglo FV. Dado que las celdas no tienenla capacidad de absorber dicha corriente, el condensador polarizado CCD conectado en elbus de CD desempeña esta función, lo que permite almacenar energía para las funciones deFA. Circuito Circuito Impulsor Q1 D1 D3 Q3 Impulsor Carga Circuito Circuito Impulsor Q2 D2 D4 Q4 Impulsor Circuito de Control Figura VI.4.- Etapa de potencia y circuitos impulsores en el inversor. IV.4.2 Circuitos impulsores para los dispositivos de conmutación Los módulos de IGBT´s requieren de un circuito impulsor como interfaz pararesponder a las señales de control. Los impulsores utilizados son del tipo M57959L, dePowerex. Estos dispositivos son del tipo híbrido y son de alta velocidad; están diseñadospara convertir niveles lógicos (TTL) de señales de control, en una adecuada excitación de 63
  • 69. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potenciacompuerta de los IGBT´s (garantizando una conmutación rígida); las señales de entradaestán aisladas del IGBT, por medio de optoacopladores de alta velocidad (15 kV/µs) y altaCMRR; simplifican el diseño de la etapa de excitación de compuerta, minimizando elnúmero de componentes necesario; y además, cuentan con protección de cortocircuitousando técnicas de desaturación que le permiten una respuesta inmediata para apagar alIGBT y enviando una señal TTL a la tarjeta de control por un pin de salida [71]. En la figura VI.4 se observa, que cada uno de los dispositivos de conmutacióncuenta con un circuito impulsor. Dado que el punto de referencia es diferente para cadainterruptor, estos impulsores necesitan fuentes de alimentación independientes. Porrecomendación del fabricante, las tensiones de alimentación requeridas para un buenfuncionamiento son: +15 V y –10 V [70]. IV.4.3 Pérdidas en los IGBT´s Las pérdidas totales en cada IGBT (PQ) están dadas por la ecuación (IV.5), es decirla suma de las pérdidas en conducción (Pss), más las pérdidas en conmutación (Psw). PQ = Pss + Psw ec. (IV.5) siendo: Pss = I CPVCE ( sat ) (D cosθ ) ec. (IV.6) Psw = (E SW ( ON ) + E SW ( OFF ) ) f SW ec. (IV.7) donde: ICP = Corriente pico de salida. VCE(sat) = Tensión colector-emisor de saturación. D= Ciclo de trabajo de la señal PWM. θ= Ángulo de fase entre la tensión y corriente de salida. ESW(on) = Energía de conmutación de encendido del IGBT por pulso a la corriente pico ICP. ESW(off) = Energía de conmutación de apagado del IGBT por pulso a la corriente pico ICP. A continuación, se obtendrán los datos necesarios para resolver las ecuaciones(IV.6), (IV.7) y con ello la ec. (IV.5). Considerando que la corriente máxima generada porel inversor es de 8 Arms en el secundario del transformador, y de acuerdo a la relación detransformación, la corriente en el primario es de 16 Arms, y la corriente pico en elinterruptor tiene el valor de la ec. (IV.8). I CP = 16 × 2 = 22.627 A ec. (IV.8) De las hojas de datos en [69], se tiene que: VCE(sat)=2.1v VFM=2.8v Esw(on) = Esw(off) = 0.7 mJ 64
  • 70. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia En el caso de la conmutación por histéresis, la corriente promedio generada es cero,por lo tanto el tiempo de conducción es D = 50%. Por otro lado, la frecuencia de conmutación máxima permitida para los IGBT´s esde fsw = 20 kHz. Debido a que se tiene una bobina a la salida del inversor, la corriente esta desfasada90º eléctricos con respecto a la tensión de salida. Es decir θ = 90º. De acuerdo al dispositivo seleccionado, los valores de las resistencias térmicasconsideradas son los siguientes: RθJC = 0.40 ºC/W RθJD = 0.90 ºC/W RθCS = 0.15 ºC/W La temperatura de unión máxima permitida para el dispositivo IGBT seleccionadoes de 150 ºC, y la temperatura máxima permitida del encapsulado es de 125ºC. Tomandoun margen de seguridad se proponen los siguientes valores de temperatura: TJQ = 120 ºC TA = 55 ºC. Finalmente, sustituyendo los valores en las ecuaciones (IV.5), (IV.6) y (IV.7), seobtienen los siguientes resultados: Pss = 0 w Psw = 28 w PQ = 28 w IV.4.4 Pérdidas en los diodos La siguiente ecuación define las pérdidas en los diodos. PD = I CPV FM [(1 − cos θ )D ] ec. (IV.9) donde: VFM = Caída de tensión en sentido directo del diodo = 2.8 V, por lo que: PD = 31.6 w IV.4.5 Diseño térmico Una vez que se determinan las características del sistema, es conveniente analizar elcomportamiento térmico del inversor con el objeto de evaluar la resistencia térmicadisipador-ambiente (RθDA) para evitar que en cualquier condición de carga, se alcance latemperatura de unión máxima (TJmax) de los dispositivos de potencia. 65
  • 71. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia PQ1 PD1 PQ2 PD2 PQ3 PD3 PQ4 PD4 TJQ TJD TJQ TJD TJQ TJD TJQ TJD RqJQ RqJD RqJQ RqJD RqJQ RqJD RqJQ RqJD TC TC TC TC RqCS RqCS RqCS RqCS TD RqDA TA Figura IV.5 Modelo térmico de la etapa de potencia. La capacidad de los semiconductores esta ligada a su ambiente térmico. Un excesoen su temperatura provoca la mayoría de las fallas, debido a un punto excesivamentecaliente en la juntura. Por lo tanto, es importante un diseño térmico adecuado, quemantenga la temperatura semiconductor-disipador dentro de los límites permitidos. Para comenzar este análisis y basándose en [72], se considera el modelo térmico dela figura IV.5, de la etapa de potencia, utilizando una analogía eléctrica. La resistencia térmica disipador-ambiente (RθDA) para el caso de un inversormonofásico puente completo, esta dada por la ec. (IV.10). T JQ − PQ RθJC − RθCS (PQ + PD ) − T A RθDA = ec. (IV.10) 4(PQ + PD )donde:TJQ = Temp. de unión en el RθCS = R. térmica encapsulado- dispositivo. disipador del IGBT.RθJC = R. térmica unión-encapsulado RθDA = R. térmica disipador-ambiente. (IGBT). PQ = P. disipada por cada IGBT.RθJD = R. térmica unión-encapsulado PD = P. disipada por cada diodo. (diodo). Para resolver esta ecuación, es necesario sustituir en la ec. (IV.10), las pérdidas encada dispositivo de potencia calculadas en las secciones anteriores. De esta manera, se tieneque la resistencia disipador-ambiente es: RθDA = 0.188 ºC/W Las expresiones que determinan los valores de las temperaturas en los diferentespuntos son las siguientes: 66
  • 72. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Temperatura en el disipador: TD = 4(PQ + PD )RθDA + T A ec. (IV.11) Temperatura en el encapsulado: TC = (PQ + PD )RθCS + TD ec. (IV.12) Temperatura de unión en el IGBT: TJQ = PQ RθJC + TC ec. (IV.13) Temperatura de unión en el diodo: TJD = PD RθJD + TC ec. (IV.14) Sustituyendo los valores calculados se obtienen las temperaturas en varios puntosdel sistema: TD = 99.82 ºC TC = 108.76 ºC TJQ = 119.96 ºC TJD = 137.2 ºClos cuales son valores aproximados de los valores máximos; aunque es difícil calcular ladisipación de potencia de los dispositivos debido a fSW variable, se consideró el peor casocon la frecuencia máxima permitida. IV.4.6 Análisis del tiempo muerto En la teoría, la operación de las señales de control en los interruptores de potenciaes ideal; es decir, no existen pérdidas por conmutación, ya que los tiempos de encendido yapagado son instantáneos. Sin embargo, en la realidad esto es imposible, debido a quecualquier dispositivo que conmuta de encendido a apagado, o viceversa, invierte un tiempodeterminado para realizar esta operación. Si dos dispositivos de conmutación, se encuentran conectados en una misma rama(figura IV.6), es importante considerar los tiempos de encendido (tON) y de apagado (tOFF)de cada uno. Por ejemplo, cuando Q1 conmute a apagado, Q2 no debe encender hasta queQ1 este completamente apagado. En caso de no considerar los tiempos tON y tOFF, los dosinterruptores estarían encendidos simultáneamente en un determinado lapso de tiempo, quepodría ocasionar algún tipo de daño tanto a los dispositivos de conmutación como a lapropia fuente de CD. Lo anterior se debe principalmente, a la inherente cola de apagado que presentan losIGBT´s; la cual puede variar desde 500 nseg hasta 1 ó 2 µseg. Por esta razón y para evitar 67
  • 73. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potenciaproblemas de corto circuito, se considera cierto tiempo entre encendido y apagado de losIGBT´s. Este tiempo recibe el nombre de “tiempo muerto” (tm), y corresponde a la sumatON + tOFF en el peor de los casos. En este diseño se consideró que el tiempo muertonecesario para evitar daño alguno en los módulos de IGBT´s, sería de 5 µseg. En las técnicas de conmutación que se utilizan para los interruptores de potenciaconectados en una misma rama, es necesario contemplar en el diseño, un circuito adicionalque proporcione el tiempo muerto, con la finalidad de evitar las consabidas consecuencias.El diagrama E.6 (apéndice E) corresponde al circuito implementado para este fin. Es necesario señalar que al implementar un circuito de este tipo, las señales decontrol aplicadas a los IGBT´s varían en su ancho de pulso con respecto a las señales quese generan antes de dicho circuito; en la figura IV.7 se muestra este efecto. Definitivamentelo anterior afecta a la señal de salida del inversor, alterando su contenido armónico, (y enconsecuencia la THD), a causa de la generación de armónicos que idealmente deberían sercero. Q1 D1 G1 VCD t tm G2 Q2 D2 t Figura IV.6.- Consideración del tiempo muerto en las señales de control. G1 G1 t t tm tm G2 G2 t t t1 t2 t 1 t 1 + tm t2 t 2 + tm (a) (b) Figura IV.7.- Variación de las señales de control al incluir el tiempo muerto. (a)Salida del Control, (b)Salida del circuito de tiempo muerto. 68
  • 74. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Corriente Positiva Corriente Negativa G1, G4 G1, G4 t t tm tm G2, G3 G2, G3 Q1 D1 D3 Q3 t t + V´o - V´O V´O VCD Carga +VCD +VCD IO Q2 D2 D4 Q4 0 t 0 t -VCD -VCD Figura IV.8.- Análisis del efecto del tiempo muerto en la tensión de salida V´o. En la figura IV.8, se muestra un inversor monofásico puente completo conectado ala carga en el momento en que se realizan las conmutaciones, la corriente no es cero. Para iniciar el análisis, se supone que los dispositivos de conmutación Q1 y Q4 estánencendidos y que la corriente a través de ellos es de un valor positivo. La tensión de salidaV´0 toma un valor de +VCD, idealmente. En el momento en que las señales de controlapagan a Q1 y Q4, los diodos D2 y D3 entran en conducción, y en ese momento V´0 ahoratoma un valor de - VCD, aún cuando las señales de control no hayan encendido a Q2 y Q3.Esto se debe a la implementación del tm. Cuando Q2 y Q3 están encendidos y la corriente através de ellos es negativa. La tensión de salida es – VCD, cuando Q2 y Q3 son apagados D1y D4 entran en conducción y V´0 toma el valor de +VCD [70]. IV.5 Transformador elevador La señal alterna que entrega el inversor pasa a través de un transformador, que elevasu tensión al doble; ya que la tensión de CD debe ser mayor que la tensión pico de la redbajo cualquier condición de operación. Esto garantiza, que el sentido del flujo de la energíasea hacia la carga y a la red, y no al contrario. Además, se ha descrito en la sección III.7.3,la necesidad de tener algún tipo de aislamiento galvánico entre el prototipo y la red para noinyectarle componentes de CD a ésta última. Por lo tanto, este tipo de aislamiento lo proveeel transformador. Se requiere garantizar un flujo de energía en la dirección mostrada en la figura IV.9,es decir, que la potencia siempre se inyecte a la red eléctrica. Por ello, es necesario que secumpla la siguiente condición: que la tensión a la salida del inversor (VPWM) sea mayor quela tensión de la red (VCA), es decir, que durante todo el ciclo de línea se tenga la condición(IV.15). |VPWM| > |VCA| ec. (IV.15) 69
  • 75. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia LF VPWM IINV ICarga ICA Carga VCA Figura IV.9.- Condición |VPWM| > |VCA| para la circulación de corriente en el sentido que se muestra. Dadas las magnitudes de las tensiones que se aplican a la entrada del inversor, paracumplir con la condición de inyectar potencia a la red, es necesario conectar untransformador a la salida del inversor. La condición de inyectar en todo momento es porque el arreglo FV, al ser expuestoal sol empieza a producir cierta energía en sus terminales la cual debe ser consumida, o delo contrario dicha energía se disipa a través de sus mismos módulos, lo cual provoca uncalentamiento prematuro en los módulos FV y así restar eficiencia al desempeño delsistema. Antes de seleccionar la relación de vueltas del transformador, se debe considerarque la tensión de la red tiene una variación alrededor de un valor nominal. En México, lanorma CFE L0000-02 [73] establece que para el suministro en baja tensión es: ∆VCA = ±10% ec. (IV.16) La tensión de red máxima se define por la ec. (IV.17). ( ) VCAMAX = (1.1) 2 (VCA ) ec. (IV.17) Por lo tanto, la tensión de salida del sistema debe ser mayor a esta tensión de redmáxima; y deacuerdo con [17], se establece un margen de seguridad del +10% y se tiene laec. (IV.18) V PWM = (1.1)(VCAMAX ) ec. (IV.18) sustituyendo la ec. (IV.17) en la ec. (IV.18), resulta la ec. (IV.19), que expresa elvalor máximo de tensión que puede presentarse en la red eléctrica, debido a cualquierposible variación, y que la tensión de salida del sistema debe superar para poder cumplir lacondición (IV.15). V PWM = (1.711)(VCA ) ec. (IV.19) Finalmente, luego de conocer la tensión mínima en el bus de CD (100 VCD) yconsiderar la ec. (IV.19), se decidió utilizar la relación de transformación (n) de la igualdad 70
  • 76. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia(IV.20). El transformador utilizado es el mismo del SFIPA; cuya capacidad es de 1 kVAcon 93.38 % de eficiencia [17]. n=2 ec. (IV.20) Esta relación es la mínima necesaria para garantizar en cualquier momento lainyección de potencia hacia la línea. En el caso en que, en algún momento no se cumpla lacondición (IV.15), el sistema operará en condiciones indeseables, ya que los módulos FVoperan solo con tensión y corriente positiva, además, se podría producir una deformaciónen la corriente de salida del sistema degradando la calidad de la red en el PCC. IV.6 Inductor de interconexión En la figura IV.10, se muestra la conexión del inductor de interconexión (LF).Debido a la configuración VSI (salida en corriente) del prototipo, la función del inductor,es regular la corriente que se entrega a la red eléctrica y al usuario (la carga). Por los objetivos planteados en este trabajo de investigación, se tiene que LF, debeser diseñado de tal manera que entregue formas de onda de corriente adecuadas, paraalcanzar una eficiencia energética en su interacción con el conjunto red-carga. Es decir, setienen dos compromisos: por un lado, el prototipo debe entregar una corriente activa lo mássenoidal posible, (sin adicionar armónicos); y por el otro, se debe entregar una energía noactiva, que compense potencia reactiva y reduzca la contaminación armónica (debido a lademanda de corriente por las CNL) en el PCC. IINV VPWM LF VCA 2VPWM Carga 1:2 Figura IV.10- Bobina de interconexión a la red. El primer compromiso se cubrió en el SFIPA, donde en un intervalo de 13 mH a 104.6mH, se consideró el de 34 mH como el valor adecuado para LF dando buenos resultados(veáse el apéndice C en [17]). Ahora, para salvar el compromiso restante, se procedió a unrediseño de LF, de manera que su valor, también contribuyera a las funciones de FA. Enseguida se tienen los puntos de diseño contemplados para dichas funciones. Para establecer el valor de LF, se debe partir de las características de compensacióndeseadas en el FA. Para ello, es necesario considerar las características de la corriente de laCNL, especialmente en el máximo di/dt que esta alcanza. Para encontrar este valor, seestimó una demanda de corriente no lineal, de 10 Apico; dentro de la capacidad del inversor.La CNL fue tipo fuente de tensión. Para este diseño se llevo a cabo, una sencilla simulaciónen Pspice, con los valores mencionados, para observar gráficamente el comportamiento de 71
  • 77. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potenciala derivada (diCNL/dt). En la figura IV.11, se muestran los resultados de la simulación. Elvalor máximo de la derivada fue 6.6186 A/ms y tiene lugar, poco después que la corrienteen la CNL empieza a ser mayor (o menor) a cero. En la ec. (IV.21) se tiene la tensión en un inductor, por lo tanto, conociendo el valormáximo de diCNL/dt se puede conocer el valor de LF. Sin embargo, se debe considerar elcomportamiento de la tensión en los extremos de LF. di V L (t ) = LF ec. (IV.21) dt Para analizar dicho comportamiento, considérese la figura IV.12; los niveles detensión en LF están dados por las ecuaciones (IV.22) y (IV.23), para el valor mínimo ymáximo respectivamente. Figura IV.11.- Gráfica de la derivada de la corriente en la CNL (arriba); corriente de la CNL y tensión de red (abajo). 2VPWM VLmin VLmax VLmax VLmin -2VPWM Figura IV.12.- Tensión máxima y mínima en LF. 72
  • 78. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia V L min = 2VPWM − VRED ec. (IV.22) V L max = 2VPWM + VRED ec. (IV.23) donde VPWM = 150 / 100 V (máximo / mínimo en el arreglo FV) y VCA = 180 Vpico.Sustituyendo los valores de tensión se tiene: VLmin = 2 (100) V – 180 V = 20 V VLmax = 2 (150) V + 180 V = 480V lo anterior, sugiere dos valores de inductancia mínimo y máximo, ecuaciones(IV.24) y (IV.25) respectivamente. VL min 20V LF min = = = 3.02mH ec. (IV.24) diCNL 6.6186 A / ms dt VL max 480V LF max = = = 75.52mH ec. (IV.25) diCNL 6.6186 A / ms dt Con base en los resultados presentados, se obtuvo en el laboratorio un valor deinductancia para LF, muy adecuado para el FA. Este fue de 9mH, sin embargo, estaba pordebajo del limite inferior sugerido en el SFIPA; y generaba un rizado de corriente, ancho,lo que afectaba la THD de corriente de la señal de salida. Por esa razón, finalmente se optópor dejar el mismo valor de inductancia obtenido para el SFIPA (LF = 34 mH), por dosrazones importantes: a).- encontrarse dentro de los valores aceptables para un adecuadofuncionamiento como FA; y b).- los resultados que arrojó el desempeño de sufuncionamiento, durante las pruebas de laboratorio a las que fue sometido el prototipo. IV.7 Potencia aparente manejada como FA La potencia aparente que maneja el FA esta directamente relacionada con lacorriente armónica que circula a través de él y la tensión en terminales [74], es decir: S F = VSL I hRMS = (THD )I 1VSL ec. (IV.26) donde: SF = Potencia aparente manejada como FA VSL = Tensión fase-neutro = 127 VCA IhRMS = Corriente eficaz, a compensar por el FA THD = Distorsión Armónica Total de la corriente de la carga, y que será compensada por el FA = 120 % (estimada). I1= Componente fundamental de la corriente de carga = 5 A 73
  • 79. CENIDET Capítulo IV. Diseño de la Etapa de Potencia Se han estimando valores de corriente para varias CNL, en consumo residencial ydel tipo fuente de tensión. Sustituyendo estos valores en la ec. IV.26, se tiene que lapotencia aparente manejada por el FA, para las condiciones estimadas es: S F = (THD )I 1VSL = (1.2)(5 A)(180V ) = 1080Vars Este valor es representativo, ya que el consumo de las cargas residenciales superaligeramente los 5 A estimados. Sin embargo, da una idea de que para tales condiciones, elFA podrá disminuir notablemente las magnitudes de los armónicos que contaminan a la redeléctrica, sobretodo los de menor orden. También debe considerarse que la THD tomavalores inferiores al 50 % debido al consumo de corriente de CL resistivas, tales comolámparas incandescentes (ver el apéndice A). 74
  • 80. CAPÍTULO V Resultados Experimentales V.1 Introducción En este capítulo se presentan los resultados más representativos del trabajo deinvestigación desarrollado, al cual se hará referencia como SFV. Se comienza separando dichosresultados en términos de compensación reactiva y activa a manera de apreciar elcomportamiento del prototipo para cada caso. Se presentan también el desempeño del SFV condiferentes tipos de cargas eléctricas tanto no lineales (CNL), como lineales (CL). Se presenta ladinámica del mismo ante el cambio de carga. En la actualidad es común que se utilice el término “potencia reactiva”, para referirse a lapotencia no activa (Q+ D); es decir se incluye la potencia de distorsión debida a los armónicos(D). En estos resultados se seguirá este criterio. En este sentido se presenta también un análisisde resultados en términos de su espectro en frecuencia y la THD de corriente, con la finalidad dereunir condiciones y evaluar la contribución de este trabajo de investigación en la calidad de lared. Finalmente se presenta una evaluación en función de la producción y pérdidas que setendría en la interacción del SFV con el binomio red eléctrica – carga (usuario de la red) en undeterminado periodo, con la intención de mostrar el impacto tecnológico que tiene para dichobinomio los SFV de este tipo.
  • 81. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales En la figura V.1 se muestra el flujo de potencia. Se tiene el sentido de la corriente delSFV, de la carga (ZL) y de la red eléctrica, representadas con ISFV, IZL e ICA respectivamente. Latensión en la red eléctrica se denota por VCA. La tensión de las celdas FV, fue emulada con unafuente de alimentación de 0-500 VCD a 1kW; de la cual se obtuvieron 150 VCD a 5 ACD, paratodas las pruebas realizadas al prototipo. ISFV ICA LF VPWM IZL ZL VCA Figura V.1.- Flujo de corrientes en la interconexión del SFV con la red eléctrica y la carga (ZL). En cada punto se especificarán las condiciones de prueba. Para las señales medidas en elosciloscopio por el canal correspondiente, es necesario que en la lectura de las carátulas seconsidere el factor indicado en cada caso. Cabe mencionar que a lo largo de este capítulo, laslecturas de corriente vistas en las figuras se ven afectadas por algunos factores, tales como:componentes eléctricos no ideales, tolerancias de los sensores de corriente y por las funcionesalgorítmicas que intervienen en la adquisición de datos del osciloscopio digital empleado. V.2 Especificaciones del prototipo Tabla V.1.- Características generales del sistema de cogeneración con funciones de FA. Componente Características Monofásico, del tipo paralelo; alimentado Funciones de FA en tensión y regulado en corriente. Capacidad de compensación Cualquier valor de P, Q y D; con una potencia S = 1 kVA. Potencia de distorsión (D) Se compensa hasta una frecuencia de 900Hz. Interruptores de Potencia IGBT´s, CM75DY-12H de (powerex). Transformador de Relación de transformación, 1:2 y una potencia de interconexión 1 kVA; núcleo laminado. Inductor de interconexión (LF) 34 mH, con núcleo de aire. Condensador del bus de CD (C) 1350 µF / 400 VCD del tipo electrolítico. Después de 1 ms de haber ocurrido una desenergización Protección vs. islanding de la red eléctrica. Protección vs. sobrecorriente Se activa cuando ISFV sobrepasa los ± 12 AP. Protección vs. inyección A través del transformador de interconexión de CD a la red eléctrica que provee un aislamiento galvánico. Sensores de corriente 2 de efecto Hall; modelo SHR-100 de NANA. Rango: ± 100 A. Detección de la señal reactiva Técnica de Cancelación de Interferencia Adaptable. Tipo de modulación PWM por histéresis; de 2 niveles. 76
  • 82. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales V.3 Compensación de potencia reactiva En esta prueba se anuló la etapa de compensación activa. Es decir, el sistema decogeneración solamente inyecta corrientes reactiva y armónicos a la red como si estuvieseoperando durante la noche, ya que no se tendría potencia FV por las celdas solares. En este casola carga ZL, es no lineal (ver figura V.1). V.3.1 Carga no lineal, tipo fuente de tensión Para caracterizar el funcionamiento del prototipo con los valores seleccionados para elinductor de interconexión, LF; se presentan los resultados que arrojan los dos valoresrepresentativos de inductancia en las funciones de FA, obtenidos en la etapa de diseño. Seconsideró una CNL de este tipo dado a que es la carga que mayormente se encuentra conectada ala red eléctrica y cuyos valores de THD son más elevados; en comparación con las cargas tipofuente de corriente. Además, los valores de di/dt que toma la corriente que demanda este tipo deCNL son elevados (específicamente alrededor de sus valores máximos y mínimos). Para esta prueba se usó como CNL un monitor de PC, con una potencia de 85 W. Lacorriente pico de esta carga es de 2.0 AP y su consumo eficaz para una tensión de red de 127VCA, es de 0.67 ARMS. • CNL tipo fuente de tensión, filtro inductivo, LF = 34 mH En la parte inferior de la figura V.2 se tiene una corriente de 2.0 AP, que demanda la cargaZL (IZL), su valor eficaz es de 0.716 ARMS. En la parte superior se tiene la señal de corrienteentregada por la red (ICA), junto con la tensión alterna de la red eléctrica (VCA). La forma de ondade la corriente está en fase con la tensión.Figura V.2.- Formas de onda de tensión y corriente de Figura V.3.- Formas de onda de tensión y corrientelínea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente del inversor, corriente en ZL; cuando se compensareactiva (LF = 34 mH). corriente reactiva (LF = 34 mH). 77
  • 83. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales En la figura V.3 se tiene la corriente reactiva que se inyecta a la red por parte delprototipo (ISFV), para compensar los armónicos que demanda la CNL. Esta corriente tiene unvalor eficaz de 0.529 ARMS. • CNL tipo fuente de tensión, filtro inductivo, LF =9mH En la parte inferior de la figura V.4 se observa que la corriente demandada por la carga,IZL (canal 1) sigue siendo la misma que el caso anterior. En la parte superior se tiene la señal decorriente entregada por la red (ICA) junto con la tensión alterna (VCA). En estas formas de onda seaprecia el instante en que se pone en marcha el prototipo, para llevar a cabo la compensación depotencia reactiva; es notable como los armónicos son reducidos a valores despreciables. Porsimple inspección, la magnitud de la corriente pico se abate al 50 % de su valor y la forma deonda de la corriente está en fase con la tensión. También, se aprecia como la forma de onda de lacorriente en la CNL no se ve alterada en lo más mínimo; es decir la operación del prototipo nogenera perturbaciones representativas que puedan afectar el desempeño de la CNL. En la figura V.5 se tiene la corriente reactiva que se inyecta a la red por parte delprototipo, cuyo valor eficaz es de 0.62 ARMS. La escala para IZL en el canal 1 es de 2 A/div, paraVCA es de 50 V/div, para ICA es de 1 A/div en la figura V.4, y 0.5 A/div para ISFV en la figuraV.5.Figura V.4.- Instante en el que se compensa Figura V.5.- Formas de onda de tensión y corrientecorriente reactiva, con LF = 9mH. del inversor, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 9 mH). • Fuente de alimentación variable En esta sección, la CNL fue una fuente de alimentación de CD con tensión variable, encuya salida se conectó una resistencia de 14 Ω a 1 kW. La tensión con que se alimentó a la cargade 14 Ω, fue de 50 VCD. En la parte superior de la figura V.6 se tiene la señal de corrienteentregada por la red (ICA), junto con la tensión alterna (VCA). Nótese que la forma de onda de lacorriente esta en fase con la tensión; aunque la corriente reactiva no se logra compensarcompletamente. En la parte inferior se tiene la corriente que demanda la carga, IZL (canal 1) y sedebe tomar en cuenta que la escala de medición es diferente a ICA. 78
  • 84. CENIDET Capítulo V. Resultados ExperimentalesFigura V.6.- Formas de onda de tensión y corriente de Figura V.7. Formas de onda de tensión y corriente delínea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente línea, corriente en ZL; instante cuando se deja dereactiva. LF = 34mH. compensar corriente reactiva. LF = 9mH. En la figura V.7 se presenta el instante en que se deja de inyectar corriente reactiva a lared eléctrica. En la parte superior se tiene la señal de corriente entregada por la red (ICA) con latensión alterna (VCA). Nótese que la forma de onda de la corriente está en fase con la tensión. Enla parte inferior se tiene la corriente que demanda la carga, IZL (canal 1). • Análisis de resultados Los resultados siguientes permiten evaluar el desempeño del prototipo al compensararmónicos de un CNL del tipo fuente de tensión. Para ello se hará uso de la tabla V.2 en donde sepresentan los resultados de las tres pruebas anteriores; apoyándose en la THD correspondiente yen el porcentaje de cada armónico con respecto a la componente fundamental. Los datospresentados del contenido armónico serán sin compensación y con ella. Tabla V.2.- Resultados del contenido armónico para las pruebas con una CNL del tipo fuente de tensión. Funciones THD Armónicos (% I1) LF CNL FP de FA (%) (mH) 3° 5° 7° 9° 11° 13° 15° NO 0.6256 120.45 86.02 66.15 43.50 22.77 10.25 11.64 8.70 34 Monitor SI 0.9805 13.76 10.46 6.00 4.68 2.72 1.52 2.08 2.37 de PC NO 0.6317 114.86 80.35 63.10 44.05 25.00 11.01 5.60 6.50 9 SI 0.9742 11.53 8.09 4.27 4.30 1.85 0.70 0.40 0.80 NO 0.6704 101.53 76.06 55.75 32.21 14.12 6.67 6.78 5.27 34 Fuente SI 0.9029 34.66 25.00 17.93 11.63 9.00 4.89 2.66 2.65 Variable NO 0.6254 110.00 80.00 60.52 38.36 19.80 8.42 7.10 8.57 9 SI 0.9866 5.86 3.47 2.24 0.95 1.10 < 1.0 < 1.0 < 1.0 Para indicar el estado de operación de las funciones del FA del prototipo se utiliza SI oNO. Por lo que un estado NO mostrará el contenido armónico de la corriente que suministra la 79
  • 85. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentalesred eléctrica a sus usuarios, normalmente; y SI el resultado de la compensación de energía noactiva, en este caso componentes armónicas. Para el monitor de PC, su contenido armónico en la corriente demandada de la red es alto;principalmente los primeros armónicos como el 3° y 5°, cuyos valores respectivos, en ambosvalores de LF, están alrededor del 83 y 6 % de la magnitud de la componente fundamental (I1).En la compensación de potencia reactiva se tiene que la magnitud de estos armónicos entregadospor ICA se ven reducidos satisfactoriamente. En el caso de LF= 9mH se tiene el caso másfavorable, aunque se debe señalar que los valores de THD no presentan una diferenciaconsiderable. Por otro lado, en las figuras V.8 y V.9 se presentan los espectros en frecuencia(EF) del contenido armónico de ISFV, para cada caso. Armónicos de Corriente Armónicos de Corriente 1 1 0.9 0.9 3° 3° 0.8 0.8 5° 5° 0.7 0.7 0.6 0.6 Amplitud (A) Amplitud (A) 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz)Figura V.8.- EF de la ISFV que compensa potencia Figura V.9.- EF de la ISFV que compensa potenciareactiva (LF=34mH). reactiva (LF=9mH). Al final de la tabla V.2 se tiene el caso de la fuente de tensión de CD alimentando unabaja resistencia. Puesto que la razón de esta prueba fue presentar un caso extremo donde lademanda de corriente no lineal a la red eléctrica fuera alta, y mostrar que el prototipo, aunque noes capaz de compensarla significativamente, sí disminuye la contaminación armónica a valoressatisfactorios. El consumo de corriente en la red por la CNL tiene un alto contenido armónico;los armónicos 3° y 5° presentan valores que oscilan entre un 78 y 58 % de la magnitud de lafundamental para ambos casos. Al compensar potencia reactiva se tiene que la magnitud de losarmónicos entregados por ICA, se ven reducidos considerablemente. En el caso de LF = 9mH setiene el caso más favorable, puesto que los valores de THD denotan una diferencia considerable.Por otro lado, en las figuras V.10 y V.11 se presentan los espectros en frecuencia del contenidoarmónico de ISFV para cada caso, que compensa la potencia reactiva que se demanda de la redeléctrica por la CNL. 80
  • 86. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales Armónicos de Corriente Armónicos de Corriente 4 3 3° 3.5 3° 2.5 3 5° 5° 2 2.5 Amplitud (A) Amplitud (A) 2 1.5 1.5 1 1 0.5 0.5 0 0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz)Figura V.10.- Espectro en frecuencia de la ISFV que Figura V.11.- Espectro en frecuencia de la ISFV quecompensa potencia reactiva (LF=34mH). compensa potencia reactiva (LF=9mH). V.3.2 Carga no lineal, tipo fuente de corriente En esta sección, se conectó como CNL del tipo fuente de corriente, un puente rectificadoralimentando una carga inductiva RL serie. Para evaluar el desempeño del filtrado activo setomaron dos valores diferentes de inductancia en la carga citada. Uno de ellos, RL1 con LZL=450.34 mH y el otro, RL2 con LZL= 775 mH. y una resistencia serie de 14.3 Ω. El valor de LF semantuvo de 9 mH; cuyo di/dt medido en ISFV fue de 0.023A/µs.Figura V.12.- Formas de onda de tensión y corriente Figura V.13. Formas de onda de tensión y corriente dede línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente línea, corriente en ZL; instante cuando se compensareactiva. Caso RL1. corriente reactiva. Caso RL2. • CNL tipo fuente de corriente con carga RL1 En la figura V.12 la CNL fue el puente rectificador citado, alimentando la carga RL1 serie(L1=450.34 mH). En la parte superior de la figura V.12 se tiene la señal de corriente entregadapor la red (ICA) junto con la tensión alterna (VCA) en el momento que se compensa la potencia 81
  • 87. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentalesreactiva. Esta corriente está en fase con la tensión, por lo que es activa y su valor es de 4.5 ARMS.En la parte inferior, se tiene la corriente que demanda ZL (IZL en el canal 1), cuyo valor es de 7.3ARMS y 10 AP. El valor de la di/dt de esta corriente no lineal es de 0.107 A/µs. • CNL tipo fuente de corriente con carga RL2 En la CNL tipo fuente de corriente, se modificó el valor de la inductancia de la carga RL1serie, para tener ahora la carga RL2, donde L2 = 775 mH. En la parte superior de la figura V.13 setiene la señal de corriente entregada por la red (ICA) junto con su tensión (VCA). Nótese que laforma de onda de la corriente tiene forma senoidal y está en fase con la tensión; su valor es de3.6 ARMS. En la parte inferior (canal 1), se tiene la corriente que demanda la carga RL2 (IZL) cuyamagnitud es de 5.84 ARMS y 8 AP. El valor de la di/dt de esta corriente no lineal es de 0.09 A/µs. Reuniendo condiciones, en las figuras V.12 a V.13 se presentan sobretiros de corriente enlos cruces por cero de la señal; siendo ligeramente mayor en RL2 (considerar la diferencia deescalas). Esto se debe al seguimiento de la corriente de salida del prototipo (ISFV), a su señal dereferencia (set point), que no es tan fiel en los cruces por cero, donde se presentan los valoresmáximos de di/dt por la CNL. • Análisis de resultados Los resultados siguientes permiten evaluar el desempeño del prototipo al compensararmónicos de un CNL del tipo fuente de corriente. Para ello se hará uso de la tabla V.3 en dondese presentan los resultados de las pruebas correspondiente al caso de RL1 y RL2; apoyándose dela THD correspondiente y en el porcentaje de cada armónico con respecto a la componentefundamental. Tabla V.3.- Resultados del contenido armónico para las pruebas con una CNL del tipo fuente de corriente. Funciones THD Armónicos (% I1) LF CNL FP de FA (%) 3° 5° 7° 9° 11° 13° 15° (mH) NO 0.9571 24.22 17.06 11.06 8.21 6.42 5.34 4.52 3.91 RL1 9 SI 0.9677 8.81 3.60 3.01 2.82 2.73 2.69 2.52 2.53 NO 0.8836 36.61 26.93 16.23 11.83 9.23 7.54 6.33 5.43 RL2 9 SI 0.8838 37.10 19.21 14.65 13.59 12.86 12.37 12.00 11.62 Al igual que en la tabla V.2 los datos presentados del contenido armónico serán sincompensación y con ella. Para indicar el estado de operación de las funciones del FA delprototipo se utiliza SI ó NO. Por lo que un estado NO mostrará el contenido armónico de lacorriente que suministra la red eléctrica a sus usuarios normalmente; y SI el resultado de lacompensación de energía no activa, en este caso componentes armónicas. En los resultados de la tabla V.3 se tiene que para una CNL del tipo fuente de corriente,su contenido armónico en la corriente demandada de la red es bajo, comparado con los resultadosde la tabla V.2; puesto que sus valores de THD están alrededor de la tercera parte. Tomandocomo valores más representativos del contenido armónico al 3°, se tiene que su valor oscila 82
  • 88. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentalesalrededor del 17.0 % de la magnitud de la componente fundamental (para ambos casos). Durantela compensación de potencia reactiva se tiene que la magnitud de los armónicos entregados porICA, se ven reducidos satisfactoriamente. En términos de la THD, se deduce que para RL1disminuyó cerca de un 64.0 % de su valor sin compensación; pero los resultados con RL2 no sonfavorables debido a un aparente incremento en la THD al compensar. Sin embargo, en esteúltimo caso, la magnitud de los armónicos de primer orden se reduce considerablemente; y elincremento en la THD se debe, por un lado a un incremento que presentan los armónicos a partirdel 7° armónico en adelante y por otro, a una disminución en la magnitud de la componentefundamental. Ver figuras V.14 y V.15. Armónicos de Corriente Armónicos de Corriente 9 9 8 8 7 7 6 6 Amplitud (A) Amplitud (A) 5 5 4 4 3 3 3° 2 2 5° 3° 5° 1 1 0 0 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz)Figura V.14.- EF de la ICA con ZL tipo fuente de Figura V.15.- EF de la ICA con ZL tipo fuente decorriente (RL2); sin compensar potencia reactiva. corriente (RL2); compensando potencia reactivaTHD = 36.61 %. (LF=9mH). THD = 37.10 %. V.3.3 Carga lineal reactiva tipo capacitiva, RC paralelo En este caso ZL fue una carga lineal RC paralelo. La capacitancia fue de CZL=14.85 µF yla R = 70.8 Ω. En la parte superior de la figura V.16 se tiene la señal de corriente entregada porla red (ICA) junto con la tensión alterna (VCA). Nótese que la forma de onda de la corriente estaen fase con la tensión y se tiene un FP de 0.863 en la red eléctrica mientras se compensa potenciareactiva; de lo contrario se tiene un FP de 0.43 en adelanto. En la parte inferior, se tiene lacorriente que demanda la carga ZL en el canal 1, cuyo valor es de 7 AP y 4.98 ARMS. Debido a lainterconexión de la carga capacitiva, la impedancia que se presenta a la corriente decompensación del prototipo, es baja (principalmente el rizo de corriente cuya frecuencia es de1.536 kHz); por lo que se presenta el rizo de corriente superpuesto en la IZL, a la frecuencia deconmutación (fSW), debido a la técnica de modulación empleada. 83
  • 89. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales Armónicos de Corriente 4 3.5 3 2.5 Amplitud (A) 2 1.5 1 0.5 3° 5° 0 0 1 2 3 4 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz)Figura V.16.- Instante en que se deja de compensar Figura V.17.- EF de la ICA con ZL tipo lineal, RCcorriente reactiva; siendo ZL lineal, RC paralelo. paralelo; compensando potencia reactiva (LF=34mH). THD = 6.05 %. En seguida se analizan los resultados de la carga lineal (CL) capacitiva, con base en sucontenido armónico (apoyándose en el EF y la THD), con la finalidad de evaluar como impactala conexión de una CL con el prototipo, a la red eléctrica. Debido a que se trata de una CL, no sepresenta el EF de ICA antes de la compensación. En la figura V.17 se presenta el EF de ICAcuando se compensa potencia reactiva. Se tienen armónicos de alto orden, correspondientes a lafrecuencia de conmutación (fSW) del prototipo, con valores de alrededor de 1.5 kHz. La magnitudde estos armónicos es pequeña y además interfieren la corriente de la carga; sin embargo se sabeque las cargas capacitivas no son muy comunes en las aplicaciones a donde está orientado elpresente diseño. V.3.4 Carga lineal reactiva tipo inductiva, motor En este caso, la ZL fue una carga lineal inductiva; dicha carga fue el motor de un esmerilde ½ HP, que de acuerdo con las lecturas tomadas por el analizador de demanda eléctrica [75],tiene un consumo de 187 W, 319 Vars y un FP de 0.506. En la parte inferior de la figura V.18 se tiene la corriente que demanda la carga, IZL (canal1), cuyo valor es de 2.4 AP y 1.6 ARMS. En la parte superior se tiene la señal de corrienteentregada por la red (ICA) y la tensión alterna (VCA). En esta figura se tiene el instante en que sedeja de compensar potencia reactiva. Nótese como al compensar se tiene un FP unitario, con unacorriente pico de 1.2 AP; y al cesar la compensación, se tiene el desplazamiento de la corriente,por el FP menor que 1 (en atraso), debido a la carga inductiva. Se tiene entonces que la corrientepico sube a 2.4 AP, que corresponde con la corriente IZL. 84
  • 90. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales Armónicos de Corriente 1.2 1 0.8 Amplitud (A) 0.6 0.4 0.2 3° 0 0 1 2 3 4 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz)Figura V.18.- Instante en que se deja de compensar Figura V.19.- EF de la ICA con ZL tipo lineal, RL serie;corriente reactiva; siendo ZL lineal, un motor de compensando potencia reactiva (LF=34mH).esmeril. THD = 4.33 %. A continuación, se analizan los resultados de la CL inductiva, con base en su contenidoarmónico, utilizando el EF y la THD, con la finalidad de evaluar como impacta la conexión deuna CL de estas características con el prototipo, a la red eléctrica. Por la misma razón que el casoanterior, no se presenta el EF de ICA antes de la compensación. En la figura V.19 se presenta el EF de ICA cuando se compensa potencia reactiva; en ellase muestra que en ICA se tienen armónicos de bajo orden (inclusive magnitud), como el 3erarmónico. Como es de esperarse para una CL de estas características, se tiene un valor reducidode THD y no se tienen armónicos de alto orden con magnitudes considerables que puedaninterferir; debido a fS, al menos en los primeros 5 kHz. V.4 Compensación de potencia activa En esta sección se presentan los resultados correspondientes a la prueba de la etapa deinyección activa con la etapa de compensación de potencia reactiva sin operar. Lo anterior con lafinalidad de apreciar el adecuado funcionamiento del sistema de cogeneración al interactuar conla red eléctrica. Para la prueba, se utilizó una carga resistiva de 70.8 Ω como carga (ZL). En lasfiguras de esta sección se han incluido los cursores del osciloscopio (líneas horizontales,simétricas al eje del tiempo) con la finalidad de tener una referencia para apreciar elcomportamiento de la magnitud de la corriente de la red. Esta franja es de 2.4 A de ancho. 85
  • 91. CENIDET Capítulo V. Resultados ExperimentalesFigura V.20.- Prototipo inyectando potencia activa a Figura V.21.- Prototipo inyectando potencia activa aZL. la red eléctrica. V.4.1 Sistema de cogeneración inyectando corriente a ZL En la figura V.20 se tiene al sistema de cogeneración inyectando potencia activa; dichapotencia permite que la corriente que entrega la red eléctrica, disminuya, mientras que lacorriente demanda por ZL no varía. En esta sección la escala para las formas de onda permanecensin cambio. Se tiene entonces que ZL demanda 1.656 ARMS (IZL). La corriente entregada por elprototipo es de 1.305 ARMS (ISFV) y la corriente que entrega la línea es 0.572 ARMS (ICA). En otraspalabras, el prototipo entrega el 78.8% de la IZL; mientras que la red eléctrica contribuye ahoracon el 21.2% restante. V.4.2 Sistema de cogeneración inyectando corriente activa a la red En la figura V.21 se tiene que el prototipo inyecta potencia activa (ISFV), sólo que en estecaso la corriente que entrega es tal que ahora se inyecta corriente activa tanto a ZL como a la redeléctrica. Por esta razón la señal de corriente (ICA), está en contrafase con respecto a la tensión dela red. Por otro lado la corriente activa en la carga permanece igual (canal 1) y la red eléctrica enlugar de entregar corriente, la recibe; de esta manera se observa que el prototipo suministra todala potencia activa que demanda ZL y su excedente lo inyecta a la red eléctrica. La escala para los canales del osciloscopio son idénticos a los anteriores. En la figuraV.21 se tiene que el prototipo entrega una corriente de 3.17 ARMS; de los cuales el 52.5 % (1.664ARMS) se entregó a ZL y el 40.5 % (1.284 ARMS) a la red. Para este caso se tuvieron pérdidas del7% (0.222 ARMS). 86
  • 92. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales V.5 Compensación de potencia activa y reactiva En esta sección se presentan los resultados de las pruebas que se hicieron al prototipo,operando durante el periodo de insolación. Es decir el prototipo inyecta potencia activa yreactiva a la red eléctrica. Se alimentó a una CNL, como carga ZL.Figura V.22.- Formas de onda de la tensión y corriente Figura V.23.- Corriente de salida del prototipo yen la línea (arriba);corriente en ZL (centro) y el set tensión en la línea (arriba);corriente en ZL (centro) ypoint (abajo). set point (abajo). V.5.1 Potencia con baja irradiancia solar En esta sección, se presenta la inyección de baja potencia activa (baja irradiancia solar) ypotencia reactiva necesaria para reducir la potencia reactiva que suministra la red eléctrica paraZL. En la figura V.22 se tiene una tensión de red de 127 VCA (canal 3); una corriente en la redeléctrica de 0.73ARMS (canal 4); y la corriente en ZL de 3.3ARMS (canal 1). En el canal 2 se tieneel set point del prototipo y es una señal de tensión de 756mVRMS, donde se tiene que la señalactiva es muy pequeña (400mVp) comparada con la señal reactiva (2.4 Vp); nótese una ligeraforma sinusoidal, en la cual esta superpuesta la componente no activa, cuya magnitud esdominante. De esta manera se observa como la red eléctrica es compensada con potencia activa yreactiva, proporcionando una corriente muy baja. En la parte superior de la figura V.23, adiferencia de la figura V.22, se muestra la corriente que entrega el prototipo junto con la tensiónde la red. En la parte central está la corriente en ZL y en la parte inferior el set point. En estafigura se puede verificar como la salida del prototipo (ISFV) sigue fielmente al set point delcontrol; es decir a la sumatoria de la componente activa más la no activa. V.5.2 Potencia con alta irradiancia solar En esta prueba, se tiene una inyección de potencia activa mayor al caso anterior (altairradiancia solar) y la potencia reactiva será menor. En la figura V.24 se tiene una tensión de redde 127 VCA (canal 3), una corriente en la red de 3.4 ARMS en contrafase (canal 4), la corriente enZL de 1.44 ARMS (canal 1) y el set point del prototipo (canal 2), una señal de tensión de 1.06VRMS y 2.36 VP. La señal de set point corresponde a 4.045 ARMS/VRMS. 87
  • 93. CENIDET Capítulo V. Resultados ExperimentalesFigura V.24.- Formas de onda del set point Figura V.25.- Formas de onda del set point (arriba);(arriba);tensión y corriente en la línea (centro) y tensión en la línea y corriente del inversor (centro) ycorriente en ZL (abajo). corriente en ZL (abajo). Por otro lado, nótese en el canal 2, como la señal activa es de mayor amplitud (1.6 Vp)comparada con V.3.1, debido a una mayor potencia activa, por la presencia de una posible altaincidencia de energía solar. En esta figura se concluye que el prototipo presentado, aparte decompensar corriente reactiva, inyecta corriente activa hacia la red. En las formas de onda seaprecia, como la contaminación armónica se reduce significativamente. La figura V.25 es parecida a la figura V.24, solamente que ahora se presenta la ISFV enlugar de la ICA; por lo tanto en la parte central se tiene la corriente que entrega el prototipo (ISFV)junto con la tensión de línea (VCA). Esta figura permite verificar como la salida del prototiposigue fielmente al set point del control; el cual con la ganancia citada genera una corriente desalida ISFV, de 4.29 ARMS. Finalmente se analizan los resultados obtenidos en esta sección, con base en su contenidoarmónico con la ayuda del EF y la THD. Esto para mostrar como la interconexión del prototipo ala red eléctrica, contribuye a la calidad de red en el PCC, y además a la reducción de la demandaeléctrica en la hora punta. En las figuras V.26 y V.27 se presentan respectivamente, los EF de ICAcuando no se compensa y cuando se compensa potencia activa y reactiva. El valor de LF fue de34mH, la tensión en el bus de CD fue de 150 VCD. El valor de la THD de la ICA fue de 110.2 %(CNL tipo fuente de tensión) sin compensar y se reduce a un valor de 16 % al hacerlo. A partirde estos resultados, se tiene que la magnitud de la fundamental es mayor debido al suministro decorriente activa a la red y la magnitud de los armónicos de primer orden se reducensignificativamente. Para el análisis de esta prueba se hubiera preferido tener una potenciadisponible en el bus de CD de 1 kW, pero debido a las características de la fuente utilizada(suministrar 5 A máximo a 150 VCD), dicha potencia fue de 750 W; un valor satisfactorio. 88
  • 94. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales Armónicos de Corriente Armónicos de Corriente 1.4 5 4.5 1.2 4 1 3.5 3° 3 0.8 Amplitud (A) Amplitud (A) 5° 2.5 0.6 2 0.4 1.5 1 0.2 0.5 3° 5° 0 0 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frecuencia (Hz) Frecuencia (Hz)Figura V.26.- EF de la ICA con fuente de alimentación de Figura V.27.- EF de la ICA con fuente deCD (VCD =25V/ ICD =2A), sin compensar potencia alimentación de CD; compensando potencia reactivareactiva. THD = 110.20 %. (LF=34mH). THD = 16 %. V.6 Dinámica del sistema Es importante considerar la respuesta del desempeño de un FA ante un cambio de carga,debido a que en el área de aplicación a donde esta enfocado, es conocido que no se guarda unpatrón de consumo constante. Por lo anterior, es necesario que el FA responda adecuadamente ala compensación de potencia reactiva, para evitar inyectar armónicos en lugar de compensarlosen la ocurrencia de dicho evento. En la figura V.28 muestra los resultados de la prueba a la dinámica del sistema. Estaprueba se llevó a cabo durante la compensación de potencia activa y reactiva de la CL de lasección V.3.4 (lado izquierdo de la figura). En seguida se adicionó la CNL de la sección V.3.1(lado derecho de la figura). Es claro como la respuesta dinámica del prototipo es inmediata y nose presentan perturbaciones significativas. La ICA está en contrafase con la tensión debido a lasobreinyección de potencia activa a la red. Por lo tanto se puede evaluar la respuesta rápida yrobusta que proporciona tanto el control (CDCRA) del prototipo, como sus elementos depotencia; lo que para este tipo de aplicaciones es un valor convincente y adecuado. 89
  • 95. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales Figura V.28.- Respuesta del prototipo, ante el cambio de carga, durante la compensación de P y Q. V.7 Estudio del flujo de energía V.7.1 Gráficas de potencia En este punto se analiza la transferencia de potencia activa entre el prototipo (SFV) y elconjunto red eléctrica – carga (ZL). Se conectó como ZL una CNL tipo fuente de tensión. Laprueba se llevó acabo con un analizador de demanda eléctrica [75]; con la finalidad de tenerresultados avalados por equipos de medición certificados en laboratorios autorizados. Transfere ncia de Pote ncia Eléctrica 1.50 1.25 SFV 1.00 0.75 CNL 0.50 kW 0.25 0.00 -0.25 -0.50 RED -0.75 -1.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Minutos Figura V.29.- Respuesta del SFV durante la transferencia de potencia activa al conjunto red eléctrica – usuario. En la figura V.29 se muestra la operación del SFV durante una hora. La potencia quedemanda la carga es constante (500W). Al principio de la gráfica se tiene que el SFV estáapagado y la red suministra la potencia demandada por ZL. En seguida, el SFV comienza ainyectar potencia; y la que es entregada por la red eléctrica comienza a disminuir, hasta que 90
  • 96. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentalesobtiene valores negativos, debido a la sobreinyección de potencia excedente. En esta gráfica, enlas pendientes de la potencia del SFV se observa el comportamiento del control que ubica elPunto de Máxima Potencia. Es necesario aclarar, que debido a las condiciones de la fuente dealimentación que emulan el arreglo FV, no se tenían valores de corriente registrables en elanalizador de demanda; por lo que se duplicó el número de vueltas de los conductores en lossensores de corriente para poder realizar las mediciones correspondientes. Balance de Potencias 1000 1 800 0.8 W / VAR / VA 600 0.6 FP 400 0.4 200 0.2 0 0 CL RED (S/I) RED ( I ) SFV P(-) P Q+D S FP Figura V.30.- Respuesta del SFV durante la transferencia de potencia activa y reactiva, al conjunto red eléctrica – usuario; así como el comportamiento del FP (antes y después de la compensación). V.7.2 Aprovechamiento de energía En seguida, se analiza la transferencia de potencia activa y reactiva, entre el SFV y elconjunto red eléctrica – carga (ZL), en los resultados de la CL tipo inductiva. En la figura V.30,se muestra un histograma de potencias, que debido a su proporcionalidad directa con la energía,permite tener una idea del comportamiento mismo de ésta. Antes de analizar la gráfica,considérese el ejemplo de un usuario residencial de la red eléctrica del apéndice A durante unlapso de medición con un analizador de demanda [75]. Se tiene un consumo de 770 W, 367 Varsy un FP de 90.2 %, durante la noche (la operación del refrigerador lleva el FP a 0.87). Estasmediciones muestran una carga con comportamiento ligeramente inductivo, y aunque puedetener los consumos de CNL (una PC y una TV), la TDH es del orden de 34.8 %. Esto se debe alconsumo de 4 lámparas incandescentes. Se eligió este periodo de medición porque durante lasnoches es más frecuente la operación de CNL (al menos en patrones de consumo más comunes). Para presentar un ejemplo relacionado con el caso anterior, se eligieron los resultadosobtenidos de las pruebas a la CL tipo inductiva (como ZL). En la figura citada se tiene laspotencias que demandan la carga; la red eléctrica antes y durante la compensación, es decir sininyectar (S/I) e inyectando (I); y finalmente las potencias que entrega el SFV. Así mismo secontrastan con el FP. Es claro como la red suple toda la potencia activa y reactiva que demandaZL. Las potencias del histograma están ordenadas como sigue: potencia activa (P) en Watts,reactiva (Q+D) en Vars y aparente (S) en VAs. 91
  • 97. CENIDET Capítulo V. Resultados Experimentales Los resultados muestran como durante la compensación, el FP toma valores cercanos a launidad, así como el comportamiento de S en la red eléctrica, además de incrementarse (por lasobreinyección), su valor es casi idéntico a la P. Es decir, la red eléctrica maneja potencia activa,ya que la potencia reactiva es muy pequeña comparada con ella. Producción y Pérdidas 100% 80% Potencia Pico 60% 40% 20% 0% CD SFV Usuario-Red Potencia Útil Pérdidas Figura V.31.- Producción y pérdidas de potencia eléctrica a potencia FV pico. Finalmente, en la figura V.31 se muestra el análisis de los resultados de la sección V.5.2,en términos de la potencia activa. En el histograma, se presenta en forma consecuente: lapotencia de CD disponible por lo que sería el arreglo FV (y que recibe el inversor del SFV); enseguida se tiene lo que entrega a la salida el SFV; y por último, lo que recibe el conjunto redeléctrica – usuario. Las pérdidas de potencia son mayores en el SFV que en su conexión con elconjunto red – usuario. Desde luego estas pérdidas se deben al acondicionamiento de la señal deCD a CA. En la columna central se tiene un valor del 80 %, que no es otra cosa que la eficienciadel SFV. Por la configuración eléctrica presente en la topología del SFV, se pensaría que estaineficiencia se debe principalmente al transformador elevador, sin embargo la eficiencia de estees del 93.38 % [76]. Por lo que entonces las pérdidas están en el inductor de interconexión, peroprincipalmente en el inversor; estas se pueden deber en parte a las inductancias parásitas en elcableado, a la conmutación dura y por otro lado a la modulación por histéresis (dos niveles). Sinembargo los resultados obtenidos son completamente satisfactorios. 92
  • 98. CAPÍTULO VI Conclusiones VI.1 Introducción Se presentan las conclusiones obtenidas durante el desarrollo del presente trabajo conla finalidad de poder evaluar el cumplimiento de los objetivos planteados, así como lasalternativas de solución que se tomaron para el desarrollo de los mismos. No se desea pasar por alto las conclusiones generales a las que se llegósimultáneamente con la investigación técnica, por lo que se comentarán en conjunto lasconclusiones técnicas. Al final se presentarán los posibles trabajos futuros a desarrollar paramejorar el diseño, o bien para apoyar otros posibles desarrollos. Es definitivo que para un futuro a corto plazo las fuentes de energía renovable tendránmayor aplicación, puesto que mejoran la calidad de vida y el uso de la energía, evitando laposibilidad de crisis energéticas. Es claro entonces que el papel de la electrónica de potenciaserá imprescindible, sobretodo en un país abundante en recursos naturales como lo es elnuestro.
  • 99. CENIDET Capítulo VI. Conclusiones VI.2 Conclusiones Es necesario tomar en consideración el desempeño del FP de la red eléctrica, cuandointeractúa con la etapa de potencia de cualquier equipo que forme parte de un esquema degeneración distribuida (i.e.: inversor, transformador de aislamiento, etc.). Desde luego, dichoequipo cumple con la normatividad para su interconexión y su FP es cercano a la unidad.Ahora bien, cuando este equipo suministra energía tal que excede la demandada por elusuario, entonces la energía excedente es entregada a la red en términos de potencia activa, yPCA ira disminuyendo conforme la red recibe energía (incluso puede anularse o cambiar designo). Pero si el equipo citado no suministra la potencia reactiva (Q y D) demandada por lacarga del usuario, entonces lo seguirá haciendo la red y QCA mantiene su magnitud. Estasituación permite que la red reduzca el suministro de potencia activa durante los picos dedemanda; sin embargo si PCA se reduce significativamente, entonces la magnitud del fasorQCA comienza a dominar haciendo que el FP se vea seriamente afectado. Por lo tanto, a diferencia de la mayoría de los SFV comerciales, el prototipodesarrollado en este trabajo de investigación ofrece las siguientes ventajas: • Dado que el sistema de cogeneración no solamente inyecta potencia activa, sino también proporciona potencia reactiva y de distorsión, se eleva entonces la calidad de la red eléctrica en el PCC, puesto que compensa el FP de la red. De esta manera se salvan costos por aumento de capacidad de generación y distribución para la compañía; o bien multas para el usuario por tener un bajo FP (usuarios con tarifas comerciales). • Al compensar la potencia de distorsión (D) que demandan las CNL del usuario que se encuentren conectadas al PCC, disminuye la contaminación por corrientes armónicas. Se evita la distorsión en la señal de tensión que pueda afectar alguna carga crítica cercana, el aumento en las pérdidas del cobre en el devanado de los transformadores, la resonancia con condensadores conectados a la red (para compensar el FP) junto con la inductancia inherente a ésta, o incluso la disminución del FP. Por lo tanto se prolonga el tiempo de vida en el equipo eléctrico asociado al PCC. • En términos de generación distribuida, se mantienen los alcances del SFIPA. Es decir, tener un generador auxiliar conectado a la red eléctrica cuya función principal es proporcionar la energía necesaria para contribuir a la reducción de los picos de demanda máxima (inyectando potencia activa a la red) en regiones calurosas del país. Esto se logra mediante la operación en el Punto de Máxima Potencia (PMP) del arreglo FV. • Tiene un bajo factor de distorsión y formas de onda de alta calidad, que cumplen con la normatividad correspondiente. Además, al compensar (D) en condiciones normales, se tienen valores de THD para corriente que cumplen con las normas IEEE 519-1992 y con la CFE L0000-45. Se debe resaltar que definitivamente la impedancia resultante en el PCC influirá en la eficiencia de las funciones de FA. 94
  • 100. CENIDET Capítulo VI. Conclusiones • El sistema es confiable debido a su sistema de protecciones eléctricas, ya que evitan anomalías de carácter técnico en la red eléctrica y daños al propio usuario o al personal de mantenimiento de la compañía eléctrica (debido al efecto islanding). • Su construcción involucra elementos de viabilidad tecnológica, lo que lo hace económicamente factible para aplicaciones residenciales. • Además, se debe considerar en México la interconexión de este tipo de SFV en regiones calurosas, ofreciendo de manera indirecta alternativas adecuadas para poder aumentar el volumen de generación de energía eléctrica; sin afectar ni al medio ambiente, ni a los usuarios de CFE cercanos a la zona. En la detección de la señal no activa a compensar para las funciones de FA de estedesarrollo se utilizó un filtro analógico, basado en la técnica adaptiva para la cancelación deinterferencia, presentado por [37]. Mediante esta técnica de detección y para este tipo deaplicaciones en baja potencia, el control implementado en el CDCRA es confiable debido asu simplicidad y robustez; además permite al FA tener una rápida respuesta de compensación(incluso ante el cambio de carga). Esto último se debe a las ventajas de la técnica empleada ya su implementación analógica. Otra ventaja relevante que tiene el control es que suoperación es casi independiente de la variación de los parámetros en los componentespasivos del circuito analógico, sea por envejecimiento, temperatura, etc. Al emplear la modulación PWM por histéresis, se tiene la desventaja de tener unafrecuencia de conmutación variable; pero se tiene una sincronización con la red eléctrica através de un circuito sencillo. Además, se obliga a la corriente de salida a seguir la señal dereferencia (set point); aunque también la forma de onda de esta corriente es dependiente delvalor de LF y de la banda de histéresis (∆I). Es necesario aclarar que, existe un compromiso para el diseño de la bobina deinterconexión LF. Tal compromiso estriba en que para mantener el patrón de conmutación, esnecesario que el di/dt del inversor sea mayor al de la señal de set point en todo el ciclo delínea. Considerando que el peor caso es cuando se tienen los valores pico de la tensión (VCA),puesto que la tensión en LF es mínima y si los armónicos compensados son de una CNL tipofuente de tensión los valores de di/dt presentarán sus valores más altos. Por ello, aunque seobtuvieron mejores resultados en la compensación reactiva (con CNL) con LF = 9 mH, estevalor está por debajo del límite inferior que garantiza la continua generación del patrón deconmutación; optando entonces por un valor de LF = 34 mH. Por las pruebas realizadas setiene que este valor presentó resultados satisfactorios sin tomar medidas un tanto riesgosas obien que al menos afecten el valor de THD ante impedancias altamente capacitivas. En los resultados del desempeño de las funciones de FA del prototipo, se comprobóque la compensación de potencia de distorsión D fue más eficiente en CNL tipo fuente decorriente, y no así para el tipo fuente de tensión. Es decir, en los análisis de resultados sepresentó que de los dos tipos de CNL citados, en el primero se anularon completamente lascomponentes armónicas, mientras en el otro tipo no fue así, dichas componentes solamente 95
  • 101. CENIDET Capítulo VI. Conclusionesse redujeron en magnitud (teniéndose valores de THD bastante convincentes). Estecomportamiento se debe a la configuración de FA paralelo que tiene el prototipo, así como ala impedancia que tiene cada tipo de CNL interconectada. En el capitulo II, se presentó que elFA paralelo es una fuente de corriente controlada. Ahora, el primer tipo de CNL se comportacomo una fuente de corriente cuya impedancia suele ser alta, y de esta manera con ciertacantidad de D, las armónicas son compensadas por el FA. Por otro lado, con el segundo tipo,se tiene el comportamiento de una fuente de tensión cuya impedancia interna es baja, lo quegenera que el FA entregue mayor D (por el consumo de esta impedancia) y además no seasuficiente para compensar completamente la contaminación armónica, restándole eficiencia ala compensación. Esto se puede comprobar en los análisis de resultados, donde lacomponente fundamental de la ICA en el primer tipo de CNL reduce su magnitud al darse lacompensación armónica; y para el tipo restante esta magnitud aumenta ligeramente. Desdeluego que influye la capacidad de potencia reactiva que maneja el FA. En la producción y pérdidas de la energía, se tiene que la capacidad de potencia parala que fue diseñado este prototipo es suficiente para uso residencial. La eficiencia delprototipo es aceptable y las pérdidas de energía (debida a la conmutación dura e inductanciasparásitas) no representan problemas que interfieran con su propio funcionamiento. Además,el seguimiento del PMP garantiza el total aprovechamiento de la capacidad FV que sedisponga. Esto es importante puesto que los módulos FV cuentan con un cierto periodo devida, que aunque es largo (regularmente entre 10 y 20 años) se pueden aprovechar almáximo; sobretodo cuando se habla en términos de eficiencia energética dada la eficiencia deuna celda FV que en general oscila alrededor del 15%. De acuerdo con lo existente en la literatura técnica, el campo de aplicaciones de losFA ha sido más abundante en sistemas trifásicos de alta potencia, que en baja o medianapotencia. Sin embargo, su desarrollo en la industria se ha visto obstruido por su costorelativamente alto, debido principalmente a los dispositivos semiconductores de potencia y ala tecnología especializada que se requiere para aplicar técnicas óptimas de control. Con baseen lo anterior, éste trabajo de investigación muestra claramente una posible oportunidad paraincursionar la aplicación de los FA de baja capacidad en un campo poco explorado, y queatraería seguramente el interés de las compañías encargadas de la generación, transmisión ydistribución de la energía eléctrica. Es decir, proveer de un FA a los esquemas de generacióndistribuida instalados en los sistemas de potencia (en baja tensión) de las compañíaseléctricas, complementaria los ya explicados beneficios que ofrecen dichos esquemas; sóloque ahora se elevaría significativamente la calidad de la red eléctrica y en consecuencia laeficiencia energética. Finalmente se puede expresar que es definitivo que para un futuro a corto plazo lasfuentes de energía renovable tendrán mayor aplicación, puesto que mejoran la calidad de viday el uso de la energía, evitando la posibilidad de crisis energéticas y garantizando unsustentable desarrollo tecnológico. Por lo tanto, es claro que el papel de la electrónica depotencia será imprescindible, sobretodo en un país como México, que además de la riquezaen energéticos de origen fósil, cuenta con un potencial muy importante de recursosenergéticos renovables. 96
  • 102. CENIDET Capítulo VI. Conclusiones VI.3 Trabajos futuros Para mejorar el presente diseño, se propone adicionar un lazo de control para regularla tensión en el bus de CD. El objetivo es que el diseño pueda ser interconectado en cualquierPCC, sin que un cambio significativo de carga produzca una posible sobretensión queocasione serios daños al inversor. Es decir, los usuarios tienen diferentes patrones deconsumo y pueden usar aún CNL que pueden consumir considerable potencia, de manera queal ser desconectadas de la red eléctrica generen una sobretensión en el bus de CD. Se puede aprovechar la versatilidad que tiene el microcontrolador de la etapa delPMP, puesto que no se explota al máximo. Una posible aplicación que se puede añadir esprecisamente la del lazo de tensión. En los resultados experimentales se observó que la eficiencia se afecta por laspérdidas en los interruptores de potencia, debido a la conmutación dura. En el diseño seutilizó la modulación PWM por histéresis de dos niveles, y para reducir dichas pérdidas, seutilizaron circuitos snubbers, obteniendo un valor adecuado de eficiencia. Sin embargo, sepropone que una solución más elaborada, sería el implementar la modulación por histéresis,pero de tres niveles; ya que esta modulación permite que las pérdidas de energía porconmutación sean más acentuadas en dos de los interruptores de potencia (del puentecompleto) y no en los cuatro. Esto aumentaría notablemente la eficiencia del diseño y eltiempo útil de los dispositivos semiconductores. Otra consideración importante para mejorar la eficiencia del sistema, es compactar eldiseño del inversor a manera de simplificar al máximo las conexiones eléctricas, en las cualesse presentan, tanto pérdidas por conducción como por impedancias parásitas. Un elemento más que esta directamente relacionado con la eficiencia del prototipo, esel inductor de interconexión; para el cual se propone mejorar su diseño a manera de reducirlas pérdidas por conducción. Esto podría ser empleando un núcleo distinto a aire con lafinalidad de disminuir el devanado; siempre y cuando se evite la saturación. Debido a los buenos resultados obtenidos, se concluye que el esquema de detecciónde corrientes reactiva y armónicas empleado para las funciones de filtrado activo delprototipo, se puede extrapolar a aplicaciones con FA trifásicos de potencia; proveyendoconsiderables ventajas. En el campo de los SFV interconectados a la red, prácticamente el inversor es elelemento principal y suele operar la mitad del día. En este caso, la operación del inversor seprolonga al día completo, por las funciones de FA. Sin embargo, otra utilidad que se puedetener al aprovechar la capacidad de potencia instalada durante la noche, puede ser comobalastro electrónico en la red de alumbrado público. 97
  • 103. LISTA DE SÍMBOLOSφ Fase∆I Rizo de corrienteAMP OP Amplificador operacionalCA Corriente alternaCD Corriente directaCDCRA Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicasCEI Comisión Electrotécnica InternacionalCFE Comisión Federal de ElectricidadCL Carga linealCNL Carga no linealCRA Corrientes reactiva y armónicasCHV Cambio de Horario de VeranoD Ciclo de trabajo de la señal PWMdi Razón de crecimiento de la corriente con respecto al tiempodtEF Espectro en frecuenciaESW(off) Energía de conmutación de apagado del IGBT por pulso a la corriente pico ICPESW(on) Energía de conmutación de encendido del IGBT por pulso a la corriente pico ICPFO Frecuencia de salidaFP Factor de potenciafsw Frecuencia de conmutaciónFV Fotovoltaico/aHP Caballos de fuerza (Horse Power)I1 Corriente a la frecuencia de la fundamentalIac Corriente alternaICP Corriente pico de salidaIEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y ElectrónicosIGBT Transistor bipolar de compuerta aisladaIIE Instituto de Investigaciones EléctricasIo Corriente de salidaIP Corriente picoIREF Corriente de referenciaISFV Corriente a la salida del SFVIZL Corriente en la cargaKw KilowattsKw/h Kilowatts por horaMOSFET Transistor de efecto de campo de metal oxido semiconductorNOx Cualquier óxido de Nitrógeno (i.e. 2, dióxido; 3, trióxido)PC Computadora PersonalPC Potencia activa demandada por la cargaPCA Potencia activa proporcionada por la redPCC Punto de conexión común
  • 104. CENIDET Lista de símbolos y abreviaturasPD Potencia disipada por cada diodoPIN Potencia de entradaPMP Punto de máxima potenciaPo Potencia de salidaPPV Potencia activa proporcionada por el sistema fotovoltaicoPQ Potencia disipada por cada IGBTPSS Pérdidas por conducciónPSW Pérdidas por conmutaciónPWM Modulación por ancho de pulsoQC Potencia reactiva demandada por la cargaQCA Potencia reactiva proporcionada por la redRθCS Resistencia térmica encapsulado-disipador del IGBTRθDA Resistencia térmica disipador-ambienteRθJC Resistencia térmica unión-encapsulado (IGBT)RθJD Resistencia térmica unión-encapsulado (diodo)RC Resistencia – CapacitorRL Resistencia – InductorSC Potencia aparente demandada por la cargaSCA Potencia aparente proporcionada por la redSFIPA Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activaSFV Sistema fotovoltaicoTA Temperatura ambienteTC Temperatura en el encapsuladoTD Temperatura en el disipadorTHD Distorsión armónica totalTJD Temperatura de unión en el diodoTJQ Temperatura de unión en el IGBT o temperatura de unión en el dispositivotm Tiempo muertotOFF Tiempo de apagadotON Tiempo de encendidoVac Tensión alternaVCAMAX Tensión de red máximaVCAPICO Tensión de red picoVCD Tensión de corriente directaVCE(sat) Tensión colector-emisor de saturaciónVCO Oscilador controlado por voltajeVFM Caída de tensión en sentido directo del diodoVFV Tensión de las celdas fotovoltaicasVIN Tensión de entradaVL Caída de tensión en las terminales de la bobinaVLMAX Caída de tensión máxima en las terminales de la bobinaVLMIN Caída de tensión mínima en las terminales de la bobinaVPWM Tensión a la salida del inversorVRED Tensión de redvs. VersusZL Carga conectada al sistema 106
  • 105. LISTA DE FIGURAS Y TABLASFigura I.1 Administración de la demanda a) Eficiencia energética b) Reducción de la demanda pico c) Proyección del consumo de energía eléctrica en MéxicoFigura I.2 Esquema de la red de suministro eléctricoFigura I.3 Red eléctrica alimentando diversas cargasFigura I.4 Gráfica comparativa de un pico de demanda máximo entre un día de verano y uno de inviernoFigura I.5 Irradiancia solar de un día despejado en veranoFigura I.6 Esquema de generadores auxiliares FV conectados a redFigura I.7 Configuración general del prototipoFigura II.1 Diagrama a bloques de un SFV interconectado a redFigura II.2 Formación de islas en el esquema de generadores FV conectados a red (Islanding)Figura II.3 Funcionamiento del FAP paralelo a) Esquema general b) Formas de onda del sistema de alimentación y FAPFigura II.4 Topologías más comunes de FAP a) VSI (inversor alimentado en tensión) b) CSI (inversor alimentado en corriente)Figura III.1 Sistema fotovoltaico de inyección de potencia activa (SFIPA)Figura III.2 Concepto de la cancelación de ruido adaptableFigura III.3 Diagrama a bloques del CDCRAFigura III.4 Diagrama de Bode de la ec.(III.18)Figura III.5 Diagrama de Bode de la ec.(III.19)Figura III.6 Diagrama a bloques del sistema de cogeneración con funciones de filtro activo integradasFigura III.7 Diagrama del circuito de sincronización con la líneaFigura III.8 Acondicionamiento de la señal de referenciaFigura III.9 Controlador de corriente por histéresisFigura III.10 Obtención de las señales de control para los interruptores de potenciaFigura IV.1 Diagrama fasorial del prototipo, periodo de insolaciónFigura IV.2 Diagrama fasorial del prototipo, periodo de oscuridadFigura IV.3 a) Gráfica característica del módulo FV sp75 (y sp70) ante variaciones de irradiancia b) El módulo FV (cortesía de Siemens)Figura IV.4 Etapa de potencia y circuitos impulsores en el inversorFigura IV.5 Modelo térmico de la etapa de potencia
  • 106. CENIDET Lista de Figuras y TablasFigura IV.6 Consideración del tiempo muerto en las señales de controlFigura IV.7 Variación de las señales de control al incluir el tiempo muerto. a) Salida del control. b) Salida del circuito de tiempo muerto.Figura IV.8 Análisis del efecto del tiempo muerto en la tensión de salida V´o.Figura IV.9 Condición |VPWM| > |VCA| para la circulación de corriente en el sentido que se muestra.Figura IV.10 Bobina de interconexión a la red .Figura IV.11 Gráfica de la derivada de la corriente en la CNL (arriba); corriente de la CNL(abajo).Figura IV.12 Tensión máxima y mínima en LF.Figura V.1 Flujo de corrientes en la interconexión del SFV con la red eléctrica y la carga (ZL).Figura V.2 Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 34 mH).Figura V.3 Formas de onda de tensión y corriente del inversor, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 34 mH).Figura V.4 Instante en el que se compensa corriente reactiva, con LF = 9 mH.Figura V.5 Formas de onda de tensión y corriente del inversor, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 9 mH).Figura V.6 Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva (LF = 34 mH).Figura V.7 Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; instante cuando se deja de compensar corriente reactiva. LF = 9 mH.Figura V.8 EF de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 34 mH).Figura V.9 EF de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 9 mH).Figura V.10 Espectro en frecuencia de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 34 mH).Figura V.11 Espectro en frecuencia de la ISFV que compensa potencia reactiva (LF = 9 mH).Figura V.12 Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; cuando se compensa corriente reactiva. Caso RL1.Figura V.13 Formas de onda de tensión y corriente de línea, corriente en ZL; instante cuando se compensa corriente reactiva. Caso RL2.Figura V.14 EF de la ICA con ZL tipo fuente de corriente (RL2); sin compensar potencia reactiva. THD = 36.61 %.Figura V.15 EF de la ICA con ZL tipo fuente de corriente (RL2); compensando potencia reactiva (LF = 9 mH). THD = 37.10 %.Figura V.16 Instante en que se deja de compensar potencia reactiva ; siendo ZL lineal, RC paralelo.Figura V.17 EF de la ICA con ZL tipo lineal, RC paralelo; compensando potencia reactiva (LF = 34 mH). THD = 6.05 %. 108
  • 107. CENIDET Lista de Figuras y TablasFigura V.18 Instante en que se deja de compensar potencia reactiva; siendo ZL lineal, un motor de esmeril.Figura V.19 EF de la ICA con ZL tipo lineal, RL serie; compensando potencia reactiva (LF = 34 mH). THD = 4.33 %.Figura V.20 Prototipo inyectando potencia activa con ZL.Figura V.21 Prototipo inyectando potencia activa a la red eléctrica.Figura V.22 Formas de onda de la tensión y corriente en la línea (arriba); corriente en ZL (centro) y el set point (abajo).Figura V.23 Corriente de salida del prototipo y tensión en la línea (arriba); corriente en ZL (centro) y set point (abajo).Figura V.24 Formas de onda del set point (arriba); tensión y corriente en la línea (centro) y corriente en ZL (abajo).Figura V.25 Formas de onda del set point (arriba); tensión en la línea y corriente del inversor (centro) y corriente en ZL (abajo).Figura V.26 EF de la ICA con fuente de alimentación de CD (VCD = 25V/ ICD = 2ª), sin compensar potencia reactiva. THDA = 110.20 %.Figura V.27 EF de la ICA con fuente de alimentación de CD; compensando potencia reactiva (LF = 34 mH). THD = 16 %.Figura V.28 Respuesta del prototipo, ante el cambio de carga, durante la compensación de P y Q.Figura V.29 Respuesta del SFV durante la transferencia de potencia activa al conjunto red eléctrica – usuario.Figura V.30 Respuesta del SFV durante la transferencia de potencia activa y reactiva al conjunto red eléctrica – usuario; así como el comportamiento del FP (antes y después de la compensación).Figura V.31 Producción y pérdidas de potencia eléctrica a potencia FV pico.Figura A.1 Patrones de consumo mensual de energía durante el año.Figura B.1 Principales perturbaciones eléctricas que tiene lugar en la red.Figura C.1 Opciones para filtros de corrientes armónicas en sistemas eléctricos.Figura D.1 Diagrama esquemático utilizado para la simulación del CDCRA.Figura D.2 Señales para simular Vi.Figura D.3 Señal de corriente en la carga lineal en la simulación.Figura D.4 Señales de entrada y salida del integrador en la simulación.Figura D.5 Señal de salida del integrador en la simulación (nivel de offset = -1.51875V).Figura D.6 Señal de salida del integrador en el laboratorio (nivel de offset = -1.684V).Figura D.7 Señales de entrada y salida al sumador 1.Simulación.Tabla I.1 Clasificación de las perturbaciones en la red eléctrica.Tabla I.2 Resumes de rangos de operación de inversores según su tipo.Tabla I.3 Resumen de ventajas y desventajas de inversores según su tipo. 109
  • 108. CENIDET Lista de Figuras y TablasTabla IV.1 Especificaciones del módulo CM75DY-12H.Tabla V.1 Características generales del sistema de cogeneración con funciones de FA.Tabla V.2 Resultados del contenido armónico para las pruebas con una CNL del tipo fuente de tensión.Tabla V.3 Resultados del contenido armónico para las pruebas con una CNL del tipo fuente corriente.Tabla A.1 Tarifas en el sector doméstico: rangos de consumo vs condiciones climatológicas.Tabla A.2 Cuotas aplicables en el mes de julio de 2001 por energía consumida.Tabla A.3 Cuotas aplicables en el mes de diciembre de 2001 por energía consumida.Tabla A.4 Consumo de una habitación típica.Tabla A.5 Consumos de una CNL típica.Diagrama E.1 Etapa de acondicionamiento de la señal de frecuencia sinusoidal y de detección del cruce por cero.Diagrama E.2 Circuito de detección de corrientes reactiva y armónicas.Diagrama E.3 Etapa del set point y de la modulación por histéresis.Diagrama E.4 Diagrama esquemático de la etapa de seguimiento del PMP; control de la inyección de potencia activa.Diagrama E.5 Diagrama esquemático del circuito de protecciones eléctricas contra sobrecorriente e Islanding.Diagrama E.6 Etapa de control digital: circuito de tiempo muerto, protecciones y señales de conmutación. 110
  • 109. Referencias Bibliográficas[1] Arteaga Oscar, 1995 “Adaptive Hysteresis Band Current Controller for Sine-waveInverter” (Maestría en Ciencias de Ingeniería; New South Wales, School of ElectricalEngineering The University of New South Wales, Australia), p.1.[2] Gutiérrez R. Arnulfo [y] Fernández Montiel M. “Centrales Generadoras yOptimización energética de Procesos” IIE, Boletín 23(3), mayo-junio 1999, México,p.139.[3] Denizar Cruz Martins [and] Roger Demonti, Interconnection of a Photovoltaic PanelsArray to a Single-Phase Utility Line From a Static Conversion System, IEEE PESC 2000,junio 2000, Irlanda, pp. 1207-1211.[4] http://www.conae.gob.mx/renovables/semblnza.html, “Semblanza. 1.Antecedentes”,Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Octubre 2001, p. 1/18.[5] R. Rüther, Use of the Photovoltaic Solar Energy, Seminar-No Convencional EnergySources, 1998, Florianópolis, SC, pp.9-25.[6] http://www.conae.gob.mx/renovables/semblnza.html, “Semblanza. 4.-PotencialAntecedentes”, Comisión Nacional para el Ahorro de Energía, Octubre 2001, p. 11/18.[7] IIE, Generadores Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica, Informe final deProyecto, Elaborado por: M. I. Arteaga Novoa Oscar, División: Fuentes de Energía,Dpto. Fuentes No Convencionales. No. IIE/01/14/10116/I001/F, Morelos, México, junio1996, pp.1-2.[8] Covarrubias Rogelio y García Francisco, 1998, Uso de energía. IIE, Boletín,noviembre-diciembre, México. http://www.iie.org.mx/publica/bolnd98/actnd98.htm[9] Sada Gámis, Jesús y Horacio Buitrón, Bitácora para el cálculo del ahorro de energíaeléctrica en iluminación artificial debido al cambio de horario en el verano, CFE-PAESE,informe interno, 1992.[10] Información de la CFE, notas informativas, “Vicente Fox: dimos instrucciones paraque cada licitación de Pemex o CFE puedan ser verificadas con la participación deuniversidades”, Jornada 3/ Financiero 16, 18, 23/ Economista PP-36, 37/ Milenio 36 /Uno más uno 16/ Heraldo 2,3 y 6F/ Sol de México 2B, 16 de julio de 2001.www.cfe.gob.mx
  • 110. CENIDET Referencias Bibliográficas[11] First International Conference on Power Quality: End Use, Aplications andPerspectives, 15-18, October 1991, Gif-Sur-Yvette, París, France.[12] CBMA (Computer and Bussines Equipment Manufacturers Association) InformationLetter, “Three Phase Power Source Overloading Cuased by Small Computers andElectronic Office Equipment”, 1998.[13] Cárdenas G. Víctor Manuel, “Corrientes Armónicas y la Calidad de la Energía en laIndustria Nacional. Problemática y Soluciones”, 2º Seminario de Electrónica del Cenidet,Memoria Técnica, 1-3 diciembre 1999, p 41. Cenidet, Cuernavaca, Mor., México.[14] Martínez García S., “Alimentación de Equipos Informáticos y Otras CargasCríticas”, Ed. McGraw Hill, 1a. Edición, 1996. pp. 21-22.[15] Cárdenas G. Víctor Manuel [et al], “Calidad en la Potencia Eléctrica (PowerQuality): Eliminación de Armónicos de Corriente Mediante Filtros Activos”, 1erSeminario de Electrónica del Cenidet, Memoria Técnica, 5-7 agosto 1998, p 65. Cenidet,Cuernavaca, Mor., México.[16] G. Ramos Niembro, “Modelado de la curva de usuarios domésticos para laimplementación de medidas de administración por el lado de la demanda”, Boletíninterno IIE, Enero / febrero 1998, pp 11-19.[17] Ibáñez M. Alan, septiembre 2000, Generador Fotovoltaico Conectado a Red,Cenidet, México.[18] Cárdenas G. Víctor Manuel, “Filtros Activos Híbridos para CompensaciónArmónica de Corriente y Corrección de Factor de Potencia en Sistemas trifásicos”, TesisDoctoral, mayo 1999, p 1. Cenidet, Cuernavaca, Mor., México.[19] Calleja Gjumlich Hugo, Ibáñez Alan, 1999, Sistema fotovoltaico interconectado a lared eléctrica, Cenidet, PASIDE, México.[20] Zamora Belver Ma. Inmaculada [y] Macho Stadler Valentín, marzo 1997, “EstudioBibliográfico sobre: Distorsión Armónica producida por Convertidores Estáticos.”Esc.Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Ingenieros de Telecomunicación deBilbao (UPV/EHU), Iberdrola, 1ª edición, p. 38.[21] Especificación CFE L0000-02. “Tensiones de Sistemas de Distribución,Subtransmisión y Transmisión”. Comisión Federal de Electricidad. Junio 1985.[22] Especificación Provisional CFE L0000-45. 1995. Perturbaciones Permisibles en lasFormas de Onda de Tensión y de Corriente del Suministro de Energía Eléctrica.Comisión Federal de Electricidad. Enero 1995. 100
  • 111. CENIDET Referencias Bibliográficas[23] Stevens John, James Rannels, Interconnections standard for utiliy-intertiedphotovoltaic systems is approve, Sandia PV projects, www.sandia.gov/pv.[24] John Stevens, septiembre 1988, the issue of harmonic injection from utilityintegrated photovoltaic systems, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 3, No.3.[25] Arteaga Oscar, 1996, op. cit., pp.52-57[26] Borle Lawrence J., et al, marzo-abril 1997, Development and testing of a 20 kW gridinteractive photovoltaic power conditioning system in Western Australia, IEEETransactions on Industrial Applications, Vol. 33, No.2[27] Hong-Sung Kim, junio 2000, A Study on Utility Interactive PV System in Harmonywith Utility, IEEE, PESC 2000, Irlanda.[28] Ashim Kshakravorti, Alexander E. Emanuel, 1993, Design, analysis and limitationsof a DC-DC to-AC converter usable for interfacing alternative energy sources and energystorage system with the utility grid, IEEE PESC.[29] T.-F. Wu, C.-H. Chang and Y.-K. Chen, junio 2000, A Multi-Function PhotovoltaicPower Supply System with Grid-Connection and Power Factor Correction Features[30] Hari Sharma, Gerard Ledwich, junio 2000, Connection of inverters to a weak grid,IEEE, PESC 2000, Irlanda.[31] Shugar, D., 1990, Photovoltaic in the utility distribution system the evaluations ofsystem and distributed benefits, 21st IEEE photovoltaic specialist conference. pp. 836-843.[32] Arteaga Oscar, 1997, Los generadores FV y la red eléctrica, IIE, Boletín marzo-abril, México.[33] Chicharo Joe F., Wang Hainhong, noviembre 1994, Power system harmonic signalestimation and retrieval for active power filter applications, IEEE Transactions onIndustrial Electronics, Vol. 9, No.6[34] Ohshima Masaaki, Masada Eisuke, septiembre 1999, A single-phase PCS with anovel constantly sampled current-regulated PWM scheme, IEEE Transactions onIndustrial Electronics, Vol. 14, No.5[35] Chatterjee Kishore, et al, marzo 1999, An instantaneous reactive volt-amperecompensator and harmonic suppressor system, IEEE Transactions on IndustrialElectronics, Vol. 14, No.2 101
  • 112. CENIDET Referencias Bibliográficas[36] Cortés Benítez Leobardo, agosto 1998, FA de corriente monofásicos empleandoconvertidores regulados en corriente y control en el dominio del tiempo, Cenidet,México.[37] Shiguo Luo and Zhencheng Hou, febrero 1995, “An adaptive detecting method forharmonic and reactive currents”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 42,No.1, pp. 85-89.[38] Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-1999, Instalaciones Eléctricas(utilización), ARTÍCULO 690 – Sistemas Solares Fotovoltaicos”, publicada en el DiarioOficial de la Federación, 2ª Sección, México, 27 de septiembre de 1999, pp. 463 - 467.[39] Arteaga Oscar, 1996, op. cit., pp.10-13.[40] Kathy Kowalwnko, Mayo 2001, “Distibuted power offers an alternative to electricutilities”, IEEE daft standard helps solve interconection problems, THE INSTITUTE-IEEE, Vol. 25, No.5[41] Jorge M. Huacuz Villamar, Generación eléctrica distribuida con energías renovables,1999, Uso de energía. IIE, Boletín, septiembre-octubre, México.[42] Stevens John, “The Interconnections Issues of Utiliy-intertied Photovoltaic systems”,(SAND87-3146); Reportes de Sandia National Laboratories, 1988.[43] Sasaki, H., Machida, T., 1971, “A New Method to Eliminate AC Harmonic Currentsby Magnetic Compensation – Consideration on Basic Design”, IEEE Transactions onPower Applications, Vol. 90, No.5[44] Zamora Belver Ma. Inmaculada, 1997, op. cit., p.12.[45] H. Calleja, “Circuitos electrónicos para adquisición de datos”, Construcción de launidad de adquisición de datos, Subsecretaría de Educación e InvestigaciónTecnológicas, México 1997, p. 339.[46] Cárdenas G. Víctor Manuel [et al], “Calidad en la Potencia Eléctrica (PowerQuality): Eliminación de Armónicos de Corriente Mediante Filtros Activos”, 1erSeminario de Electrónica del CENIDET, Memoria Técnica, 5-7 agosto 1998, p 65.CENIDET, Cuernavaca, Mor., México. p. 105-107.[47] Akagi H., Nabae, A., Atoh, S., “Control Strategy of Active Power Filters UsingMultiple Voltage-Source PWM Converters”, IEEE Transactions on IndustrialAplications, Vol IA-22, No. 3, 1986.[48] W. le Roux, J. Van Wyk. “The Effect of Signal Measurement and Processing Delayon the Compensation of Harmonics by PWM Converters”. IEEE Transactions onIndustrial Electronics, Vol. 47, No.2, April 2000, pp. 297-304. 102
  • 113. CENIDET Referencias Bibliográficas[49] H. Calleja, 1997, op. cit. 1.8 Selección de Amplificadores Operacionales, pp. 27-29.[50] H. Calleja, 1997, op. cit., 1.4.1 Ruidos, pp. 16-21.[51] Analog Devices, “High Speed Dual Operational Amplifier, OP271”, EN: AmplifierReference Manual, 1992, pp. 2-909 a 2-917.[52] Analog Devices, “Low Cost Analog Multiplier AD633”, EN: Special Linear ManualReference, 1992, p. 2-47.[53] Motorola, “Wideband Linear Four Cuadrant Multiplier, MC1495”, EN: MotorolaAnalog IC Device Data, 1996.[54] H. Calleja, 1997, op. cit., 6.4.2 Capacitores, pp. 371-377.[55] Ibidem, 6.4.2 Capacitores, pp. 371-377.[56] Ibidem, 6.3 Técnicas de construcción, p. 348-363.[57] Arteaga N. O., “Generadores Fotovoltaicos Conectados a la Red Eléctrica”, IIE,Informe Final de Proyecto No. IIE/01/14/10116/I001/F, Julio 1996.[58] National Semiconductor, “MF4 4th Order Switched Capacitor Butterworth LowpasssFilter”, EN: National Data Adquisition Databook, section 7,1995, pp. 7-89 a 7-100.[59] H. Calleja, 1997, op. cit., 5.5 Construcción de los Filtros, pp. 305-316.[60] K. Takigawa and H. Kobayashi, 1994, “A Development of Compact and ReliableProtective Control Unit for Grid Connected Small Residential PV Systems”, ProceedingsIEEE 1st World Conference on PV Energy Conversion, Vol. 1.[61] R. H. Wills, “The interconnection of Photovoltaic Power Systems with the UtilityGrid: An Overview for Utility Engineers”, Technical Report, Solar Design Associates,Inc. Architects and Engineers Harvard, MA. p. 31.[62] ANSI/IEEE STD 929-1988, “IEEE Recommended Practice for Utility Interface ofResidential and Intermediate Photovoltaic Systems”, IEEE Standards CoordinatingCommittee 21, Photovoltaics, May 1987.[63] R. Sharma, L. Bowtell, 1993, “Maximum Power Tracker for a Utility Connected PVSystem”, Sun Power, pp 392-397.[64] T. Ishida et. al, 1994, “Anti-Islanding Protection Using a Twin-Peak Band-PassFilter in Interconnected PV System, and Substantiating Evaluations”, Proceedings IEEE1st World Conference on PV Energy Conversion, Vol. 1. 103
  • 114. CENIDET Referencias Bibliográficas[65] H. Calleja, 1997, op. cit., Tensión de desplazamiento (Input Offset Voltage), p. 9.[66] Cortés Benítez Leobardo, 1998, op.cit. pp. 27-29.[67] Hernández G. Claudia V., “Filtro Activo de Corriente Monofásico con Salida enTensión Controlado Mediante un Procesador Digital de Señales”, Tesis de Maestría,Cenidet, Cuernavaca Morelos, pp. 18-19.[68] Cárdenas G., 2000, op.cit. pp. 77-79.[69] POWEREX, “IGBT and Intelligent – Intelligent Power Modules Applications andTechnical Data Book”, 1ª. Edición, Octubre 1994. PP. 229-232.[70] Cárdenas G. V. M., 1994, “Diseño e implementación de un convertidor CD-CAmonofásico para aplicación en sistemas de alimentación ininterrumpibles”, Tesis deMaestría, Cenidet, Cuernavaca Morelos.[71] POWEREX, 1994, op.cit. pp. 149-150.[72] Echavarria S. Rodolfo A., 1995, “Diseño e implementación de un accionador demotores de CA trifásico operando en régimen permanente”, Tesis de Maestría, Cenidet,Cuernavaca Morelos. pp. 35-40.[73] CFE L0000-02, 1985, op.cit. p. 3.[74] Cárdenas G. Víctor Manuel, 1999, op.cit. p. 78.[75] Electro Industries / Gaugetech, Portable Disturbance Analyzer, Futura + SeriesPDA1000, Copyright (C) 1995.[76] Ibáñez M. Alan, 2000, op.cit. p. 69. 104