Modelo de convertidor electrónico de potencia

TEMA 3.4
Modelación Interfaz
El t ó i de
Electrónica
d P
Potencia
t
i
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
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Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 3: Modelación de Fuentes de Generación Distribuida
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Copyright © 2008
Solo para ser empleado co
on fines académicos o de inve
estigación. Prohibido su repro
oducción total o parcial por cu
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8082139
Sistemas de Generación Distribuida
Capitulo III. Aspectos de Modelación de Fuentes de
Generación Distribuida.
• Procesos Dinámicos en Sistemas Eléctricos de
Potencia.
• Simulación de la Dinámica de Sistemas de Potencia.
• Modelo General del problema y Solución Numérica.
• Modelos de Generadores Eléctricos: generador
sincrónico,, ggenerador de inducción,, ggenerador de
imanes permanentes.
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Contenido
Capitulo III. Aspectos de Modelación de Fuentes de
Generación Distribuida.
• Modelos de Interfaz Electrónica: convertidor del lado
de la red,, convertidores del lado del ggenerador.
• Modelación de Fuentes: micro turbina de eje simple,
micro turbina de eje partido, celda de combustible,
turbina a gas, sistemas de conversión de energía del
viento.
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Contenido
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Electrónica
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Sistemas de Generación Distribuida
Modelo de una Fuente de Generación Distribuida
Energía
Primaria
Conversión
Primaria y/o
Proceso de
almacenamiento
Potencia
Eléctrica 1
Proceso de
Conversión 1
Potencia
Eléctrica 2
Capacitor
de enlace DC
Potencia
Eléctrica 3
Proceso de
Conversión 2
Potencia
Eléctrica 4
Sistema
Eléctrico de
Potencia
Xf
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Modelos de Interfaz Electrónica
• Una estructura típica de una fuente de generación con
una interfaz convertidora de potencia, es mostrada en
la siguiente Figura.
Xf
Interfaz Típica del Convertidor a la red
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Modelos de Interfaz Electrónica
• La fuente de energía, puede ser una fuente de
potencia dc por sí misma (por ejemplo, sistema
fotovoltaico o celda de combustible) o una fuente de
alterna la cual es rectificado como una fuente dc
(una turbina de viento, una micro-turbina, etc.).
Xf
Interfaz Típica del Convertidor a la red
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Modelos de Interfaz Electrónica
• En muchos casos, la fuente en sí misma puede incluir
otros convertidores electrónicos de potencia (ac/dc, y
dc/dc), a fin de crear y/o regular el voltaje dc o la
corriente.
Xf
F
Fuente
t dc
d o ac
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Modelos de Interfaz Electrónica
• Aunque no es posible derivar un modelo general, el
cual pueda representar con suficiente precisión la
dinámica de todos los tipos de convertidores
electrónicos de potencia
• Algunos principios generales y ejemplos típicos son
presentados en lo sucesivo, concentrando los
esquemas de los más comunes en la práctica.
Xf
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Convertidor del Lado de la
Red
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Sistemas de Generación Distribuida
• En la Figura siguiente se ilustra el esquema más
comúnmente empleado, utilizando una fuente de
voltaje y un convertidor dc/ac.
Vac , i

C

Xf
VT ,  b
Vdc
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Convertidor del Lado de la Red
Ejemplo: Sistema Fotovoltaico
Celda Fotovoltaica
Arreglo Fotovoltaico
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Convertidor del Lado de la Red
• Otros tipos de interfaces basados en convertidores
electrónicos de potencia (tales como inversores con
fuentes de corriente, o convertidores en cascada son
usados en casos muy particulares de FGD) son
también utilizados en la práctica y requieren de un
enfoque de modelación diferente, no cubierto aquí.
Vac , i

C

Xf
VT ,  b
Vdc
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IT
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Convertidor del Lado de la Red
• Los principios de control y operación de tales
dispositivos, son discutidos, y se presentan los
modelos de valor medio (es decir, las frecuencias
diferentes a la fundamental, son despreciadas)
• Son más simples, generales y frecuentemente, son lo
suficientemente buenos, como para examinar la
interacción entre la generación distribuida y el
fenómeno del sistema eléctrico de potencia, en la
banda de frecuencia de 0.1
0 1 a 10 Hz
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Convertidor del Lado de la Red
• Diagramas simplificados a frecuencia fundamental,
para el convertidor dc/ac, basado en una fuente de
voltaje.
Vac , i

C

Xf
VT ,  b
Vdc
IT
Xf
Vac , i
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
IT

VT , b
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Convertidor del Lado de la Red
Circuito equivalente y diagrama fasorial para la salida
del convertidor electrónico de potencia del lado de la
red
Xf
Vac , i

IT

VT , b
Vac
i


b
jjX f I T
VT
IT
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Convertidor del Lado de la Red
i
Xf
Vac , i

IT
Vac

VT , b


b
jX f I T
VT
IT
• La potencia activa Pac, y reactiva Qac, a la salida del
convertidor es dada por las siguientes relaciones:
convertidor,
VacVT
sen
Pac 
Xf
VT2 VacVT
cos
Qac 

Xf
Xf
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Convertidor del Lado de la Red
• La potencia activa, Pac, es predominantemente
dependiente del ángulo de potencia , entre los
fasores de voltaje del inversor y el fasor de voltaje del
lado de la red.
VacVT
Pac 
sen
Xf
• La potencia reactiva, Qac, es determinada por la
magnitud de voltaje del inversor Vac.
2
T
V
VacVT
Qac 

cos
Xf
Xf
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Convertidor del Lado de la Red
• El control de potencia activa y reactiva, que entrega
el convertidor a la red, es efectuado por el convertidor
dc/ac.
2
T
VacVT
Pac 
sen
Xf
V
VacVT
Qac 

cos
Xf
Xf
i
Xf
Vac , i

IT
Vac

VT , b


b
jX f I T
VT
IT
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• En el caso de un inversor, esto se realiza, a partir de
una fuente de voltaje.
• Las variables controladas con la frecuencia i y la
componente
p
ffundamental del voltaje
j ac,, el cual,, es
sintetizado por el interruptor adecuado de los
dispositivos electrónicos de conmutación
Qac
Pac
Xf
Vac , i

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IT

VT , b
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• El relativo desacople de la regulación de la potencia
activa y reactiva, permite la implementación del
principio de control:
Pac 
VacVT
sen
Xf
Pac*



* 



Pac
2
T
V
VacVT
cos
Qac 

Xf
Xf
i*
*
Qac



Vac*
Qac
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• Los lazos de regulación de la potencia activa y
reactiva son independientes, pero no completamente
desacoplados
Control de
Frecuencia
Pac 
VacVT
sen
Xf
Pac*



* 



Pac
2
T
V
VacVT
cos
Qac 

Xf
Xf
*
Qac



Qac
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i*
Vac*
Control de
Voltaje
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Cambio Q
Cambio P
Evidencia del Acople
Efecto de
cambio de P en
Q
2
P [p.u]
1.8
1.6
1.4
1.2
1
Efecto de
cambio de Q en
P
0.8
0.02
0.04
0.06
0.08
Time [s]
0.1
0.12
0.14
0.04
0.06
0.08
Time [s]
0.1
0.12
0.14
1.2
Q [p.u ]
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.02
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Ajuste
*
ac
P


* 



i*
Control de
Frecuencia

Pac
Real
Control PI
*
ac
Q



Qac
Vac*
Controll de
C
d
Voltaje
donde P*ac y Q*ac, son los ajustes de la potencia
activa y reactiva,
reactiva Pac y Qac son las potencia activa y
reactiva real, mientras que el ángulo , es calculado
desde las mediciones de los voltajes de fase y las
corrientes
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• La determinación de las referencias de potencia activa
y reactiva P*ac y Q*ac, dependen de la aplicación
específica y de la instalación considerada.
Factor de
d Potencia:
i
• Constante
• Variable
Qac*



Vac*
Qac
• Una práctica usual,
usual es utilizar la entrada Q*ac, a fin de
mantener un factor de potencia constante a la salida
((frecuentemente la unidad, Q*ac = 0))
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FACTOR DE POTENCIA CONSTANTE
• Una práctica usual,
usual es utilizar la entrada Q*ac, a fin de
mantener un factor de potencia constante a la salida
((frecuentemente la unidad,, Q*ac = 0))
FACTOR DE POTENCIA VARIABLE
• El ajuste de potencia reactiva puede ser variado a fin
de regular -o simplemente mantener- el voltaje de
barra en (o muy cerca de) la salida del convertidor,
esto, siempre que la capacidad nominal del
convertidor lo permita
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• Control de Voltaje de
siguiente Figura.
*
T
V



Barra es mostrado en la
*
ac
Q
VT
donde V*ac es el nivel de voltaje deseado en la barra.
barra
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• Si la fuente de corriente continua, no es fuerte o
robusta, la entrada del ajuste de potencia activa P*ac
puede ser usado para regular el voltaje de la barra dc.
*
dc
V



*
ac
P
Vdc
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Inversor con Control por Histéresis de Corriente
INVER
RSOR
Controlador de
Voltaje dc
Corrientes de
salida
sa
da Medidas
ed das
Voltajes
Medidos
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Convertidor del Lado de la Red
Inversor con Control Onda Portadora PWM de
Corriente
Corrientes de salida
Medidas
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IN
NVERSOR
R
Convertidor del Lado de la Red
Forma de Onda de Voltaje en Terminales del
Inversor
Tiempo [seg]
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Forma de Onda de Voltaje en Terminales de la Red
Tiempo [seg]
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Forma de Onda de la Corriente en Terminales de la
Red
Tiempo [seg]
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1
0.8
0.6
Vab [p.u]
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
0.6
-0.8
-1
0.06
Dynamic
y
Performance Implications
p
of the
Power Conditioner Grid-Connected
for Photovoltaic Source
0.062
0.064
0.066
0.068
0.07
Time [s]
0.072
0.074
0.076
0.078
0.08
0.062
0.064
0.066
0.068
0.07
Time [s]
0.072
0.074
0.076
0.078
0.08
0.6
0.4
C. Peraza1, F. González-Longatt2,3 and C. Villanueva4
0.2
Ia [p.u
u]
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0.06
Sistemas de Generación Distribuida
TEMA 3: Modelación de Fuentes de Generación Distribuida
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Solo para ser empleado co
on fines académicos o de inve
estigación. Prohibido su repro
oducción total o parcial por cu
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Convertidor del Lado de la Red
Fuente dc Débil
Prof. Francisco M. Gonzalez-Longatt
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Sistemas de Generación Distribuida
• Si la fuente primera es débil y al mismo tiempo el
sistema de almacenamiento no es adecuado, se debe
cubrir parte de la demanda desde la red.
P
Potencia
i solicitada
li i d
20 – 100 seg
Respuesta de la Celda de
Combustible
Tiempo [seg]
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Fuente dc Débil
• La diferencia de la potencia Demandada y la
generada debe ser importada desde la red, o
suministrada por el dispositivo de almacenamiento.
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Potencia desde la red
Potencia desde la Microfuente
Tiempo [seg]
Tiempo [seg]
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Fuente dc Débil
Lecturas
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Sistemas de Generación Distribuida
Lecturas obligatorias:
• R.H. Lasseter, “Control
Control of distributed resources
resources”,, in: L H.
Fink, C.D. Vournas (Eds.), Proceedings: Bulk Power Systems
Dynamics and Control IV, Restructuring, organized by IREP
andd National
N ti l Technical
T h i l University
U i
it off Athens,
Ath
S t i i
Santorini,
Greece, August 23–28, 1998, pp. 323–329.
• F. González-Longatt,
g , A. Hernández,, F. Guillen,, C. Fortoul.
“Load following Function of Fuel Cell Plant in Distributed
Environment”. In proceeding of International Conference on
renewable energy and Power Quality (ICREPQ
(ICREPQ´05)
05). March
16-18, 2005. Zaragoza, Spain, 2005.
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Lecturas
Fuente dc Robusta
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Sistemas de Generación Distribuida
• Cuando se conecta una fuente de generación
distribuida a la red por medio de un convertidor
electrónico de potencia y se dispone de la ayuda de
dispositivos auxiliares de una batería que suministra
la potencia transitoria.
Baterías

C

Vac , i
Xf
VT ,  b
Vdc
IT
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Fuente Robusta
• Los detalles en el desempeño de la fuente de
generación distribuida tienden a perder importancia
cuando se examina el desempeño de la unidad visto
desde los terminales de la red
Red
ac
Inversor
VDC
Señales de
disparo
p
de
puerta
Controlador
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Manipulación
de Medidas
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Fuente Robusta
Equivalentes de una Fuente Robusta
B dc
Bus
d
Sistema
ac
Fuente de
Potencia
Enlace
dc
Bus dc
Fuente
Robusta
Vdc
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com
Fuente Robusta
• En vez de ello, el inversor será conectado a los
terminales de la batería, y solamente se verá una
fuente dc relativamente fuerte o robusta.
Bus dc
Fuente
Robusta
Vdc
• La fuente de potencia no es requerida para lograr una
rápida respuesta transitoria, debido a que el trabajo
que efectuará, se basa únicamente, en mantener
q
cargada la batería
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Fuente Robusta
Lecturas
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Sistemas de Generación Distribuida
Lecturas Obligatorias
• Lasseter R.,
R K.
K Tomsovic and P.
P Piagi,
Piagi “Scenarios
Scenarios for
Distributed Technology Applications with Steady
State and Dynamic
y
Models off Loads and MicroSources”. Consortium for Electric Reliability
Technology Solutions April 2000.
• N. Hatziargyriou, M. Donnelly, S. Papathanassiou,
J.A. Pecas Lopes et al. “Modeling of New Forms of
G
Generation
i andd Storage”.
S
” CIGRE Technical
T h i l Brochure
B h
TF 38.01.10, November 2002.
Sistemas de Generación Distribuida
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Lecturas
• F. Blaabjerg, Zhe Chen, S.B. Kjaer,
“Power
electronics as efficient interface in dispersed power
generation systems”. IEEE Transactions on Power
Electronic. Volume 19, Issue 5, Sept. 2004, p.p
1184 – 1194
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Lecturas
Convertidores del Lado del
Generador
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Sistemas de Generación Distribuida
• El convertidor dc/ac utilizando una fuente de voltaje,
es el convertidor electrónico de potencia más
empleado como interfaz a la red.
Celda de Combustible
Conversión DC/DC
Celda de Combustible
Conversion DC/AC
Conversión DC/AC
AC/AC
• Hay tecnologías de generación distribuida que
requieren de otros tipos de convertidores.
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Convertidor del Lado del Generador
• Por ejemplo, las turbinas de viento a velocidad
variable, típicamente emplean convertidores en
cascada, o basados en fuentes de corriente
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Convertidor del Lado del Generador
• La modelación de la fuente de energía, es específico
al caso y depende del tipo de fuente en
consideración (turbinas de viento, fotovoltaicos,
micro-turbinas, etc.).
• El modelo desarrollado es conectado y resuelto, junto
con el modelo del convertidor dc/ac, para representar
la dinámica como un sistema completo
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Convertidor del Lado del Generador
• El modelo de los convertidores conectados del lado
del generador, son aplicaciones muy específicas al
tipo y esquema de tecnología considerada.
j
a la modelación de estos componentes
p
• Se ha dejado
donde sea necesario.
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Lecturas Obligatorias
• F.
F Blaabjerg,
Blaabjerg Zhe Chen,
Chen S.B.
S B Kjaer,
Kjaer
“Power
Power
electronics as efficient interface in dispersed power
generation systems”.
g
y
IEEE Transactions on Power
Electronic. Volume 19, Issue 5, Sept. 2004, p.p
1184 – 1194
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