Taller CUDI 2011 2 [Modo de compatibilidad] · ¾Bajo costo de implementación ¾ ... Ecuaciones de...
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25, 26 y 27 de mayo
Generación de Energía Eléctrica aGeneración de Energía Eléctrica aGeneración de Energía Eléctrica a Generación de Energía Eléctrica a Partir de Fuentes de Energía Partir de Fuentes de Energía
Renovable y sus Aplicaciones enRenovable y sus Aplicaciones enRenovable y sus Aplicaciones en Renovable y sus Aplicaciones en Sistemas AisladosSistemas Aislados
Dr Roberto Morales CaporalDr Roberto Morales CaporalDr. Roberto Morales CaporalDr. Roberto Morales Caporal
División de Estudios de Posgrado e InvestigaciónDivisión de Estudios de Posgrado e InvestigaciónInstituto Tecnológico de Apizaco
Apizaco, Tlax. Méxicop aco, a é co
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERsProblemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERs
Aplicaciones en Sistemas Aislados
P t F tProyectos Futuros
Comentarios Finales
Efecto Invernadero (Fuentes de Emisiones)Efecto Invernadero (Fuentes de Emisiones)25, 26 y 27 de mayo
Máximas Reservas de Fuentes NoMáximas Reservas de Fuentes No‐‐renovablesrenovables25, 26 y 27 de mayo
Proyección de la Producción de Petróleo a Escala MundialProyección de la Producción de Petróleo a Escala Mundial25, 26 y 27 de mayo
Pronostico de Población Mundial 1980Pronostico de Población Mundial 1980--2020202025, 26 y 27 de mayo
Pronostico de Consumo de Energía a Nivel MundialPronostico de Consumo de Energía a Nivel Mundial25, 26 y 27 de mayo
Consumo Nacional de Energía Eléctrica ActualConsumo Nacional de Energía Eléctrica Actual25, 26 y 27 de mayo
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERsProblemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERsp
Aplicaciones en Sistemas Aislados
Proyectos Futuros
Comentarios FinalesComentarios Finales
Consumo Mundial y Potencial de Energía Consumo Mundial y Potencial de Energía 25, 26 y 27 de mayo
R di ió S l lRadiación Solar en laSuperficie de la Tierra/añoSuperficie de la Tierra/año
152,424 x 1013 kWhHidráulica
Biomasa1 2 4 1013 kWh
Hidráulica4.6 x 1013 kWh
Mareas762.1 x 1013 kWh
152.4 x 1013 kWh
Consumo mundial deEnergía
9.5 x 1013 kWhEólica
3,084.4 x 1013 kWh
Tendencias Globales de Abastecimiento de EnergíaTendencias Globales de Abastecimiento de Energía25, 26 y 27 de mayo
Energía SolarEnergía Solar25, 26 y 27 de mayo
La energía solar es infinita
Energía limpia
A li i l id i lAplicaciones rurales y residenciales
Potencial de mercado
Oportunidades de desarrollo
Actualmente, Su aprovechamiento es aún costoso en comparación de plas energías fósiles
Energía EólicaEnergía Eólica25, 26 y 27 de mayo
La energía eólica es infinita
Energía limpia
Aplicaciones rurales y residenciales
Potencial de mercadoPotencial de mercado
Oportunidades de desarrollop
Actualmente (05), Su h áaprovechamiento es más
económico en comparación de las í fó ilenergías fósiles
Energía Mareomotriz u OlaEnergía Mareomotriz u Ola--motrizmotriz25, 26 y 27 de mayo
Es la energía obtenida del movimientoEs la energía obtenida del movimiento de las mareas y las olas del mar
El Movimiento de mareas es generado por la interacción gravitatoria entre la Tierra y la LunaTierra y la Luna
Oportunidades de desarrollop
Actualmente, Su aprovechamiento ú ó des aún costoso en comparación de
las energías fósiles
BiomasaBiomasa25, 26 y 27 de mayo
Es la materia orgánica obtenida de las plantas y los animalesp y
La biomasa contiene energía almacenada a partir del sol
Aplicaciones ruralesAplicaciones rurales
Oportunidades de desarrollop
Actualmente (05), su h i áaprovechamiento es más
económico en comparación de las í fó ilenergías fósiles
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
F d E í R bl (FER )Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERsGeneración de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERs para Aplicaciones de Baja TensiónAplicaciones de Baja Tensión
Aplicaciones en Sistemas Aislados
Proyectos Futuros
C t i Fi lComentarios Finales
Principales componentes de un generador eólicoPrincipales componentes de un generador eólico25, 26 y 27 de mayo
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
d í bl ( )Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERsGeneración de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERs para Aplicaciones de Baja TensiónAplicaciones de Baja Tensión
Aplicaciones en Sistemas Aislados
Proyectos Futuros
C t i Fi lComentarios Finales
La Radiación del Sol Tampoco es ConstanteLa Radiación del Sol Tampoco es Constante25, 26 y 27 de mayo
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
F t d E í R bl (FER )Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERsGeneración de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERs para Aplicaciones de Baja TensiónAplicaciones de Baja Tensión
Aplicaciones en Sistemas Aislados
Proyectos Futuros
Comentarios FinalesComentarios Finales
Solar ¿Cuál Implementar?Solar ¿Cuál Implementar?25, 26 y 27 de mayo
Fotovoltaica Termo‐solar
Bajo costo de implementación
Mayor costo de implementaciónimplementación
A li i l
implementación
A li iAplicaciones rurales y comerciales
Aplicaciones comerciales
Baja tensión Alta tensión
Control no implícito Control implícitoControl no implícito Control implícito
Conversión de Energía Solar en Energía EléctricaConversión de Energía Solar en Energía Eléctrica25, 26 y 27 de mayo
CD/CACelda Elevador Inversor
CDCD/CA
CD2 o 3 φ
ControladorDigital
φ
Eólica ¿Cómo Implementar?Eólica ¿Cómo Implementar?25, 26 y 27 de mayo
Control Mecánico y Eléctrico Control Electrónico
Mayor costo de implementación
Menor costo de implementaciónimplementación
A li i i l
implementación
A li i lAplicaciones comerciales Aplicaciones rurales y residenciales
Alta tensiónBaja tensión
Control MecánicoControl DigitalControl Digital
Conversión de Energía Eólica en Energía EléctricaConversión de Energía Eólica en Energía Eléctrica25, 26 y 27 de mayo
CA/CD CD/CA
3CD
CCD3 φ
C t l d
2 o 3 φControlador
Digital
Otras Topologías de ConversiónOtras Topologías de Conversión25, 26 y 27 de mayo
CD/CACA/CD
3
3 φControlador Controlador
2 o 3 φ
Digital Digital
Convertidor MatricialConvertidor Matricial25, 26 y 27 de mayo
CA/CA3 φ
CA/CA
3
2 o 3 φControlador
Digital
Topologías de Control ElectrónicoTopologías de Control Electrónico25, 26 y 27 de mayo
CA/CD CD/CA3 φFuente-Z
3
3 φ
Controlador2 o 3 φ
Digital
Convertidor AC/DCConvertidor AC/DC‐‐DC/DCDC/DC‐‐DC/ACDC/AC25, 26 y 27 de mayo
AC/DCC
DC/AC3 φ 2 φ
3DC
DC
2 φ
SwitchingControlControl
Generador Síncrono de Imanes PermanentesGenerador Síncrono de Imanes Permanentes25, 26 y 27 de mayo
Baja Inercia Bajas potencias (0.25 - to 50 kW)
Tamaño reducido Alto costo
Alto desempeño de par
Riesgo de desmagne-tización
p
Libre de mantenimiento
Bajo peso
Ecuaciones de transformaciónEcuaciones de transformación25, 26 y 27 de mayo
du u⎡ ⎤ ⎡ ⎤( )0
d a
q dq b
u uu T uu u
γ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎡ ⎤= ⎣ ⎦⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦0 cu u⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦
2 2⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞2 2cos cos cos3 3π πγ γ γ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞− +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥
⎢ ⎥( )03 2 2sin sin sin2 3 3dqT π πγ γ γ γ⎢ ⎥⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎡ ⎤ = − +⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎣ ⎦ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎢ ⎥
1 1 12 2 2
⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦
Ecuaciones de Voltaje en dEcuaciones de Voltaje en d--qq25, 26 y 27 de mayo
ψ ψd
R i ψ ωψ=− − −d S d d qu R idt
ψ ωψ=− − +d
u R i ψ ωψ= +q S q q du R idt
ψ L i ψ ψL iψ =q q qL i ψ ψ= +d d d PML i
Ecuación de Par ElectromagnéticoEcuación de Par Electromagnético25, 26 y 27 de mayo
Ecuación de Par
( )32 p d q q dM i iψ ψ= −
Ecuación Mecánica
i L
dJ M M
dtΩ = −
1 d
dt
1=
p pddt
ω γΩ =p p
Convertidor CA/CD Convertidor CA/CD ((RectificadorRectificador))25, 26 y 27 de mayo
3 φ
L1
AC
C UdcLL
23L3
ConvertidorConvertidor CD/CD (Boost)CD/CD (Boost)25, 26 y 27 de mayo
L DL D
i CLOUi UoCTCurrent-
ModeC t l
OAD
Control
Calculo del tiempo “Calculo del tiempo “onon” del IGBT” del IGBT25, 26 y 27 de mayo
Asumiendo que la frecuencia del rizo del voltaje de entrada Ui esmenor que la frecuencia de conmutación del IGBT. Y que el voltajeq q ja la salida del convertidor Uo es constante, podemos escribir:
I t T=max 1
(1 )
onI t Tm
t T I m
Donde
− = max 2(1 )ont T I m
Donde
( )1 2, m Ui L m Uo Ui L= = −T representa el periodo de switcheo o “sampling time”
( )1 2,
Calculo del tiempo “Calculo del tiempo “onon” del IGBT” del IGBT25, 26 y 27 de mayo
Usando la definición dem1 ym2, El valor promedio de la corrientedel diodo durante un periodo de switcheo puede ser calculadocomo
22T Ui⎛ ⎞⎟⎜ 2
( ) 2D AV on
T Uii t
L Uo Ui⎟⎜= ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠
Solucionando para ton da
( )( )
2 1D AV
Lt i Uo Ui= −( )( )on D AVt i Uo Ui
T Ui
Control de VoltajeControl de Voltaje25, 26 y 27 de mayo
En este caso la salida del controlador es laf i l di d l i treferencia para el promedio de la corriente
Kp
D(AV)U*
i
Ki 1s
Umeasured
ConvertidorConvertidor CD/CA (PWMCD/CA (PWM--Inverter)Inverter)25, 26 y 27 de mayo
T1 T3
AA
BT2 T4
B
Resultados Simulados [a) Salida Resultados Simulados [a) Salida BoostBoost, b) En la carga], b) En la carga]25, 26 y 27 de mayo
a)
b)
Resultados Simulados[a) En el L del Resultados Simulados[a) En el L del BoostBoost, b) En la Carga], b) En la Carga]25, 26 y 27 de mayo
a)a)
b)b)
Resultados Simulados, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)Resultados Simulados, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)25, 26 y 27 de mayo
Resultados Experimentales, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)Resultados Experimentales, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)
25, 26 y 27 de mayo
Resultados Experimentales, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)Resultados Experimentales, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)
25, 26 y 27 de mayo
Voltaje RectificadoVoltaje Rectificado
Corriente en la CargaCorriente en la Carga
Voltaje en la CargaVoltaje en la Carga
Convertidor CA/CDConvertidor CA/CD‐‐CD/CACD/CA25, 26 y 27 de mayo
CD/CACA/CD
3
3 φControlador Controlador
2 o 3 φ
Digital Digital
Convertidor de Potencia Propuesto (2)Convertidor de Potencia Propuesto (2)25, 26 y 27 de mayo
LOA
Rectificado InversorLf RfVa
Vb
V
iaib
i
Filtro de entrada
3~AD
abc/ αβ abc /
Vc ic
αβabc/ αβ
ControlPredictivo SVM PWM
i i
i*α i*β
V*Loadαββα
F *Load
1/Vmax
Control devoltaje
i*V cd
V*cd
Ecuaciones en tiempo continuo del lado de CAEcuaciones en tiempo continuo del lado de CA25, 26 y 27 de mayo
0 0S Sa
S Sa
dL i
dt R id
⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ 0 0
0 0
S Sb S Sa
SaS
S Sc
dL i R i
dtiRd
L i
⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ = − −⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ − ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎢ ⎥⎢ ⎥S ScL i
dt⎢ ⎥⎣ ⎦
⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤1 0 0 1 0 0
0 1 0 0 1 0
ca Sa
dc
V VV
V V
⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥
+⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥0 1 0 0 1 02
0 0 1 0 0 1
cb Sb
cc Sc
V V
V V
+⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥
⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦
Ecuaciones de transformaciónEcuaciones de transformación25, 26 y 27 de mayo
Im
aVSVai
ε
Si 2SWa i
2a
U ReSUi
2a
W
S SUi i= ( )1
3S SV SWi i i
β= ⋅ −
S SUi i
α( )3S SV SWβ
Ecuaciones en tiempo discreto del lado de CAEcuaciones en tiempo discreto del lado de CA25, 26 y 27 de mayo
( ) 0 ( )
0( ) ( )
R SV k R i k
RV k i k
α α⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤−⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥=⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥
*
0( ) ( )
( 1) ( )
SR RV k i k
i k i kd
β β⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥−⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦
⎡ ⎤+ −( 1) ( )1 0 1 0 ( )
S
S
i k i kdL
V kdt Tα α
α
⎡ ⎤+ −⎢ ⎥⎡ ⎤⎢ ⎥⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥− + ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥*
0 1 0 1 ( )( 1) ( )
S
V ki k i kdL i
dt Tββ β
β
+ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥+ − ⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦Sdt T⎢ ⎥⎣ ⎦
Convertidor de Potencia TrifásicoConvertidor de Potencia Trifásico25, 26 y 27 de mayo
T1 T3 T5D1 D3
CUdc
LLL
123
V
U uSV
u
uSU
WL3T2 T4 T6D2 D4
uSW
iSV iSW
iSU Máquina
Generación de Ocho Voltajes Espaciales de VoltajeGeneración de Ocho Voltajes Espaciales de Voltaje25, 26 y 27 de mayo
βu (010) u (110)
u (100)1
u 2u 3
u3 (010) u2 (110)
Udc
1 1 1
SU SV SWSec 1
Sec.2Sec.3
S 4 u (100)u (011)0 0 0α
Sec.1Sec.4 u1 (100)u4 (011)
u0 (000)u7 (111)
23Udc
U V WSec.5 Sec.6
7 ( )
u6u5
u6 (101)u5 (001)
Modulación de Vector Espacial (Modulación de Vector Espacial (SpaceSpace Vector Vector ModulationModulation))25, 26 y 27 de mayo
Modulación de Vector Espacial (Modulación de Vector Espacial (SpaceSpace Vector Vector ModulationModulation))25, 26 y 27 de mayo
Modulación de Vector Espacial (Modulación de Vector Espacial (SpaceSpace Vector Vector ModulationModulation))25, 26 y 27 de mayo
Modulación de Vector Espacial (Modulación de Vector Espacial (SpaceSpace Vector Vector ModulationModulation))25, 26 y 27 de mayo
Salida de VoltajeSalida de Voltaje25, 26 y 27 de mayo
200
250
100
150Vd
c
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
50
200
0
100
Vac
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-200
-100
Time
Salida de CorrienteSalida de Corriente25, 26 y 27 de mayo
0 05
0.1
0
0.05Ph
ase
A Ia
c
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1-0.1
-0.05P
Controlador Digital DSPControlador Digital DSP‐‐FPGAFPGA‐‐EmbededEmbeded25, 26 y 27 de mayo
Controlador Digital DSPControlador Digital DSP FPGAFPGA EmbededEmbeded
Resultados Experimentales, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)Resultados Experimentales, Corriente y Voltaje en la Carga (RL)
25, 26 y 27 de mayo
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
F t d E í R bl (FER )Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERsGeneración de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERs para Aplicaciones de Baja TensiónAplicaciones de Baja Tensión
Aplicaciones en Sistemas Aislados
Proyectos Futuros
Comentarios FinalesComentarios Finales
ÍndiceÍndice25, 26 y 27 de mayo
Motivación
F t d E í R bl (FER )Fuentes de Energía Renovables (FERs)
Generación de Energía Eléctrica con FERsGeneración de Energía Eléctrica con FERs
Problemas que se Presentan al usar las FERs
Propuestas de Solución al usar FERs para Aplicaciones de Baja TensiónAplicaciones de Baja Tensión
Aplicaciones en Sistemas Aislados
Proyectos Futuros
Comentarios FinalesComentarios Finales