Diapositiva 1

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Interfaces Electrónicas de Potencia para Fuentes de
Energía Renovables
Dr. Rodolfo Moreno Martínez, Member, IEEE
Universidad Nacional de Ingeniería, Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Sección de Postgrado y Segunda Especialización
15 de Octubre 2014
22/10/2014
FIEE - UNI
1
Interfaces Electrónicas de Potencia
-En los últimos años, especialmente debido al creciente
interés por el aprovechamiento de la Fuente de Energías
Renovables o fuentes de bajo impacto ambiental, el
concepto de Generación Distribuida de Energía Eléctrica se
convirtió en un importante tema de investigación con el que
se busca dar solución al problema de la creciente demanda
por la energía y contaminación ambiental
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2
Interfaces Electrónicas de Potencia
Generación Distribuida
Es la conexión de fuentes de generación de energía eléctrica
directamente con la red eléctrica de distribución o la conexión de
estas fuentes desde el lado del medidor del consumidor.
las fuentes generadores que pueden conectar con la red eléctrica
de distribución son unidades de generación no mayores de 1 o 2
MW que pueden ser instalados por los propietarios de las redes de
distribución o por los consumidores.
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3
Interfaces Electrónicas de Potencia
Interface
electrónica
de potencia
Fig.- Diagrama unifilar del sistema de distribución incluyendo generación distribuida GD-1 y GD-2.
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4
Interfaces Electrónicas de Potencia
Interfaces Electrónicas de Potencia
La Interface Electrónica permite conectar con la red eléctrica
diferentes tipos de fuentes como: turbinas eólicas, sistemas
fotovoltaicos, celdas de combustible, micro turbinas; también
permite adaptar sistemas de almacenamiento de energía
eléctrica, como banco de baterías, bobinas superconductoras,
super-condensadores.
La estructura y la forma de control de las “Interfaces Electrónicas
de Potencia” depende del tipo de fuente primaria.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Requerimientos de la interface electrónica de
potencia para la conexión de centrales fotovoltaicas
con la red eléctrica
•Forma de onda de tensión y/o corriente senoidal
•Sistema de Sincronismo (PLL)
•Sistema de Protección
•Sistema de Detección de Operación en Isla (Islanding)
•Sistema para operación frente a huecos de tensión
•Sistema de Seguimiento de la Máxima Potencia (MPPT)
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6
Interfaces Electrónicas de Potencia
Interfaces Electrónicas de Potencia
DC
AC
DC
AC
(a) Inversor Monofásico de dos niveles
DC
AC
(c) Inversor Trifásico de Tres niveles
(b) Inversor Trifásico de dos niveles
Fig.- Esquema de Inversores fuente de Tensión (Voltage Source Inverter - VSI)
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Interface para Sistemas de
Generación Fotovoltaica
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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10
Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Paneles Fotovoltaicos
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Interface de Procesamiento de una Etapa
Módulos
FV
DC
Ls
Red
FV
AC
CPV
Cs
TBF
Fig.- Inversor reductor de tensión con transformador en baja frecuencia (TBF)
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Interfaces Electrónicas de Potencia
SAC1
LGrid
DRECT1
TAF
Módulos
FV
Red
CPV
CGrid
PV
DRECT2
SAC2
SPV
Fig.- Inversor tipo flyback con transformador en alta frecuencia (TAF).
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Interface de Procesamiento de dos Etapas sin Aislamiento
Vcc
Fig.- Convertidor DC/DC
Elevador de Tensión
(Boost Converter)
Ccc
Módulos
FV
PV
Red
CPV
Fig.- Convertidor DC/DC
Reductor - Elevador de Tensión
(Buck-Boost Converter)
Módulos
FV
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Red
PV
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20
Interfaces Electrónicas de Potencia
Lboost
Dboost
String # 1
FV:
2200 W, Vpv =
125 V – 750 V
MPPT
PV
CPV
Cboost
Sboost
i Red
S1
String # 2
FV:
2200 W, Vpv =
125 V – 750 V
MPPT
LRed
Red
PV
CPV
PV
CPV
S2
String # 3
FV:
2200 W, Vpv =
125 V – 750 V
MPPT
Fig.- Sistema Sunny Boy 5000TL
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Interface de Procesamiento de dos Etapas con Aislamiento
Lf
Módulos
FV
Ls
Red
Cf
PV
Cs
CPV
TAF
Fig.- Inversor con transformador de alta frecuencia (TAF)
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Interfaces Electrónicas de Potencia
String # 1
FV:
1500 W, Vpv =
200 V – 500 V
MPPT
TAF
Lboost
PV
CDC
CPV
S1-4
String # 2
FV:
1500 W, Vpv =
200 V – 500 V
MPPT
Lboost
S1
CPV
String # 3
iRed
S3
CDC
PV
S1-4
FV:
1500 W, Vpv=
200 V – 500 V
MPPT
D1-4
Red LRed
D1-4
S2
S4
Lboost
CPV
CDC
PV
S1-4
D1-4
Fig.- Sistema Power Lynk PV 4.5 kW
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Técnicas de Control de la Interface
PS, QS
Vpv
Red
Fuente
De Energía
Renovable
Inversor
Fuente de
Tensión
Lf
VC
Pi
LS VS
LS
VC
VS
Red
Cf
PL
Carga
Carga
(b)
(a)
Fig.- (a) Inversor fuente de tensión conectado a la red controlado por tensión “VC ” (b) Circuito
equivalente
V pv
Fuente
De Energía
Renovable
Inversor
Fuente de
Tensión
Lf
Red
Pi
VS
PS,QS
VS
iS
if
if
Red
iL
Carga
Carga
SL
(b)
(a)
Fig.- (a) Inversor fuente de tensión conectado a la rede controlado en corriente “i f ” (b) Circuito
equivalente
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Módulos
FV
Inversor
Fuente de
Tensión
Vpv
Lf
Vi
ZRed
VS
Red
if
Carga
MPPT
Vpv,ref
Control
VS
Fig.- Esquema de Control de Interface electrónica de una etapa.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Vpv
ipv
Vdc= cte.
CC
Módulos
FV
Inversor
Fuente de
Tensión
Vi
Lf
VS
Red
if
CC
MPPT
ZRed
Carga
Control
VS
Fig.- Esquema de Control de Interface de dos etapas
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Lf
Módulos
FV
if
Inversor
Fuente de
Tensión
vpv
vs
ipv
PWM
If,ref
vpv,ref
MPPT
+ -
CV
if,ref
x
Control de
Tensión
+
CC
-
Control de
Corriente
sen
θ
PLL
vs
Fig.- Estructura del control del inversor
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Vdc
Fuente
Primaria
de
Energía
Vi
C
Lf
VT
Qi
Pi
Vs
QS
PS
Red
S1
if
Carga
Local
Modulador
PWM
if,dq_ref

Pi,ref
Qi,ref
Controlador
de
Potencias
Controlador
de
Corrientes
VT,dq
if,dq
if
dq
abc

PLL
VT
dq
abc
Fig.- Esquema de Control de Potencia Activa (P) y Reactiva (Q) del inversor
con lazo interno de control DC de corriente
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Vdc
Vi
C
Fuente
Primaria
de Energía
L2
Lf
if
Qi
Pi
S1
Vs
QS
PS
Red
is
Cf
Carga
Local
Vdc,ref
Vdc
Control de
Tensión
Modulador
PWM
is ,d_ref

Control de
Corrientes
Control de
Potencia
dq
is
abc

is ,q_ref
Qi ,ref
is ,dq
PLL
dq
Vs ,dq
Vs
abc
Fig.- Esquema de Control de Tensión del enlace DC (Vdc) y Potencia
Reactiva (Q) del inversor con lazo interno de control DC de corriente
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fuente Fotovoltaica
Fig. – Estructura de módulos fotovoltaicos conectados en serie
Fig. – Estructura de módulos fotovoltaicos conectados en serie y serie-paralelo.
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Planta Solar Fotovoltaica
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Interfaces Electrónicas de Potencia
En el sistema de generación fotovoltaico, la energía solar es convertida en corriente
continua mediante los paneles fotovoltaicos que es inyectada a la red de corriente
alterna mediante un convertidor electrónico DC-AC de potencia o inversor
conectado la red (interface de conexión con la red). La tensión generada por el
inversor deberá ser senoidal de la misma frecuencia y sincronizada con la tensión
de la red.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
La central fotovoltaica Tacna Solar 20TS de 20MW, ubicada en las proximidades
de la subestación de los Héroes Tacna, en el Departamento de Tacna.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Planta Solar Fotovoltaica
Tacna Solar 20TS
20 MW
SEIN
220-kV
66-kV
66-kV
23-kV
23-kV
Inversor 1,1
500 kw
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Inversor 2,1
500 kw
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Inversor 3,1
500 kw
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Inversor 4,1
500 kw
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Inversor 5,1
500 kw
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Y
G
∆
G
Y
Inversor 1,2
500 kw
1.0 Mw
Inversor 2,2
500 kw
1.0 Mw
Inversor 3,2
500 kw
1.0 Mw
Inversor 4,2
500 kw
1.0 Mw
Inversor 5,2
500 kw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
1.0 Mw
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1.0 Mw
FIEE - UNI
1.0 Mw
35
Interfaces Electrónicas de Potencia
Módulos
FV
Inversor 1,1
500 kw
G
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Y
∆
G
Módulos
FV
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Inversor 1,2
500 kw
Y
FIEE - UNI
1.0 Mw
36
Interfaces Electrónicas de Potencia
1
13 st
………
………
4
13 st
1
13 st
………
………
4
13 st
G
56 st
SUNTECH
STP270
226.8 kWp
V pv = 525V
Ipv = 432 A
56 st
1
26 st
1 st
15
2
……
PV1
PV2
PV3
4050 Wp
V pv = 525V
Ipv= 7.71 A
……
1
2 st
15
2
567 kWp
V pv = 525V
Ipv = 1080 A
1 13 st
2 13 st
Pmax=270Wp
V mp = 35V
Imp= 7.71 A
……
1
2
56700 Wp
V pv= 525V
Ipv= 108 A
13 st
15
(R) st
13 st
130 st
st: string o cadena
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FIEE - UNI
37
Interfaces Electrónicas de Potencia
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FIEE - UNI
38
Interfaces Electrónicas de Potencia
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FIEE - UNI
39
Interfaces Electrónicas de Potencia
22/10/2014
FIEE - UNI
40
Interfaces Electrónicas de Potencia
Módulos
FV
Inversor 1,1
500 kw
1000 kVA
275/23000 V
Dy5y5
Z = 6%
Y
G
∆
G
Módulos
FV
22/10/2014
Y
Inversor 1,2
500 kw
FIEE - UNI
41
Interfaces Electrónicas de Potencia
22/10/2014
FIEE - UNI
42
Interfaces Electrónicas de Potencia
22/10/2014
FIEE - UNI
43
Interfaces Electrónicas de Potencia
22/10/2014
FIEE - UNI
44
Interfaces Electrónicas de Potencia
Red
Módulos
FV
22/10/2014
Y/∆
FIEE - UNI
45
Interfaces Electrónicas de Potencia
56 st
Red
56 st
Y/∆
26 st
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FIEE - UNI
46
Interfaces Electrónicas de Potencia
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FIEE - UNI
47
Interfaces Electrónicas de Potencia
567 kWp
V pv = 525V
Ipv = 1080 A
Vs = 275V
f= 60 Hz
V p = 23000V
PV1
Fig.- Esquema de bloques del control del inversor de la Planta Fotovoltaica
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Interfaces Electrónicas de Potencia
ABB
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49
Interfaces Electrónicas de Potencia
ABB
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FIEE - UNI
50
Interfaces Electrónicas de Potencia
ABB
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Interface para Sistemas de
Generación Eólica
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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FIEE - UNI
53
Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- (1) hélices, (2) buje, (4) Cojinetes del eje principal, (5) Eje principal del la turbina, (6) Caja de velocidades (Gearbox) , (7) Sistema de frenado, (8)
Eje secundario del generador , (9) Generador eléctrico de corriente alterna, (10) Sistema de enfriamiento , (11) Sistemas de medición de velocidad y
dirección del viento, (13) (14) y (15) Sistema de orientación de la góndola,
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Rotación
Sustentación
Arrastre
Fig.- Principio de operación de la turbina eólica
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Potencia mecánica como función de la velocidad del rotor de la turbina para
diferentes velocidades del viento.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Curva de operación optima de la turbina eólica.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Limite de la operación optima de la turbina eólica.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Regulación de potencia mecánica de una turbina eólica
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador de Velocidad Variable
Red Eléctrica
Vw
Generador de Inducción
wr
wt
TSR
r
s
t
G.I.
G.B.
r s t
Vw1
Vw2
Vw3
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f1 ,V1
s
r
R S T
t
f2 ,V2
r
s
fred = cte
Vred = cte
t
f3 ,V3
FIEE - UNI
60
Interfaces Electrónicas de Potencia
id
ia
a
Edc
b
n
c
Inversor
Fig.- Inversor trifásico de tensión
VSI (Voltage Source Inverter)
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Qs
P
P
(cap)
(ind)
i0,avg
Edc
Vc
i0
Vs
Inversor
is
Ps
Xs
Qs: Se inyecta a la red
Qs: Se absorbe de la red
Is
ϕ
Isd
Vc
Isq
δ
Ps: Se inyecta a la red
f.d.p =0
jIs Xs
Vs
Ps: Se absorbe de la red
f.d.p =1
Fig.- Operación del Inversor trifásico de tensión conectado con la red eléctrica
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador de Velocidad Variable
P1
P1
Q1
Vw Pt
iga
wg
wt
G.I.
Vc1
igb
G.B.
igc
Igq
Ig
……
ϕI
gd
δ
Ea
jXgIg
Vc1
wg,ref
Control del
INV1
Wg
iga
igb igc
Fig.- Operación del generador de inducción conectado al inversor trifásico de tensión
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Te
Fig.- Característica torque velocidad del generador de inducción y de la turbina
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Potencia mecánica de la turbina como función de la velocidad del rotor para
diferentes velocidades del viento.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Control de la trayectoria de potencia basado en el algoritmo MPPT (Maximum
Power Point Tracking)
22/10/2014
FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
P1
Pg
Ps
Qg
Vw Pt
wt
iga
wg
G.I.
G.B.
igb
Vc2
Vdc
igc
wt
Ig
Control del
INV 1
wg
iga
Ea
jXgIg
Control del
INV 2
Vdc,ref
Vs
igb igc
ϕ Igd
δ
……
Vdc
wg,ref
MPPT
Xs isa
Vs
……
P1
Igq
Vc1
Red
Is
ϕ
isa
isb isc
Vc2
jXs Is
δ
Vs
Vc1
Fig.- Operación del generador de inducción con la interface de doble convertidor conectado
en el estator para la inyección de la potencia activa en la red
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Esquema de control vectorial del convertidor I, que
desacopla el flujo de excitación de la potencia activa
1-Mantiene el flujo de excitación del generador (ieds)
2-Obtiene la máxima potencia de la turbina (ieqs)
3-Modifica la frecuencia del convertidor con la velocidad de la turbina (θs)
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Fig.- Esquema de control vectorial del convertidor II que desacopla la potencia
activa y reactiva y mantiene la tensión del enlace en DC constante
1-Mantiene la tensión del enlace DC constante (ieds)
2-Mantiene la operación a factor de potencia uno (ieqs)
3-Mantiene la sincronización con la red (θs)
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Vw
Inversor
I
iga
G.I.
GB
igb
igc
CA
P0
Inversor
II
CC
CA
CC
isa
Lf
Ps
isb
isc
wg
Vdc
θ
Control del Inverso I
Pgen,ref
Control del ángulo
de paso θ
V dc,ref
wgen,ref
Operador
de la red
Control del Inversor II
Control de Potencia
Control de la turbina de viento
Qgrid,ref
Sincronización
con la red
Fig.- Esquema de control de interface, de doble conversión en el estator, de generador de inducción
de rotor jaula de ardilla en turbina eólica de velocidad variable.
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador Inducción para aplicaciones en turbinas eólicas de velocidad variable
Generador: Inducción de rotor Jaula de Ardilla
Potencia: 55 kW a 5 MW
Numero de Polos: 4 – 6
Tensión: 690 V a 3300 V
Frecuencia: 50 Hz o 60 Hz
Refrigeración: aire o por agua
Tipo de Montaje: Horizontal o Vertical
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador Síncrono
Fig.- Generador Síncrono de Imanes Permanentes para aerogeneradores de velocidad variable
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador de Velocidad Variable
Vw Pt
wt
P1
Ps
Pg
wg
iga
PMSG
Vc2
Vdc
igb
igc
Red
Xs isa
Vs
……
Vdc
Control del
INV 2
Vdc,ref
Vs
isa
isb isc
Vc2
Is
ϕ
jXsIs
δ
Vs
22/10/2014
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador Síncrono
de Imanes
Permanentes
Rectificador
De Diodos
Convertidor DCDC Elevador de
Tensión
Control del
Enlace DC
Red
Control del
Generador
Fig.- Esquema de Control del Generador Síncrono de Imanes Permanentes para
aerogeneradores de velocidad variable
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Interfaces Electrónicas de Potencia
P1
Pg
Ps
Vw Pt
wt
iga
wg
PMSG
Vc1
igb
Vc2
Vdc
igc
Control del
INV 1
wt
ϕ=0
Ig
wg
iga
Control del
INV 2
Vdc,ref
Vs
igb igc
isa
isb isc
Vc2
Ea
δ
jXgIg
Is
ϕ
jXs Is
δ
Vs
Vc1
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……
Vdc
wg,ref
MPPT
Xs isa
Vs
……
P1
Red
FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
MPPT
Fig.- Esquema de control vectorial del convertidor I
1-Obtiene la máxima potencia de la turbina (ieqs)
2-Sincroniza la frecuencia del inversor con la rotación del generador (θs)
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador Síncrono de Imanes Permanentes para turbinas eólicas de velocidad
variable
ABB
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Parque Eólico Marcona
Número de aerogeneradores: 11
Potencia total instalada: 32 MW
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Parque Eólico Marcona
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FIEE - UNI
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Interfaces Electrónicas de Potencia
3 aerogeneradores
de 2.3 MW c/u,
tipo SWT-2.3-108,
SIEMENS.
SCIG: Squirrel Cage
Induction Generator
8 aerogeneradores
de 3.15 MW c/u,
tipo SWT-3.15-108,
SIEMENS
DDPMSG: Direct-Drive
Permanent Magnet
Synchronous Generator
Systems
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Interfaces Electrónicas de Potencia
SCIG: Squirrel Cage Induction Generator
2.3
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
DDPMSG: Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generator Systems
PMSG
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Parque Eólico Talara
Número de aerogeneradores: 17
Potencia total instalada: 30.6 MW
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Interfaces Electrónicas de Potencia
17 aerogeneradores
de 1.8 MW c/u, tipo
V100-1.8, VESTAS.
DFIG: Generador de
Inducción de doble
alimentación
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Generador de Inducción de Doble Alimentación
DFIG
Fig.- Operación sub-síncrona (wr < w1) del generador de inducción de doble alimentación
DFIG
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Control de la turbina de viento
Sincronización
con la red
wgen,ref
Operador
de la red
P gen,ref
Vdc,ref
Qgen,ref
wr
θ
Control del Convertidor I
Control del Convertidor II
Vred
Control del ángulo
de paso θ
Vdc
CA
Pm
DFIG
CC
CC
(II)
GB
CA
(I)
Pr
Pr
Qr
Vw
Ps
Qs
∆
Y
Red
Eléctrica
Fig.- Esquema de control de interface, de doble conversión en el rotor, de generador de inducción de
doble alimentación (DFIG) en turbina eólica de velocidad variable.
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
Tecnología
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Interfaces Electrónicas de Potencia
ABB
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Interfaces Electrónicas de Potencia
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Interfaces Electrónicas de Potencia
ABB
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Conclusiones
Los convertidores electrónicos de Potencia permiten el acondicionamiento
de diferentes fuentes de energía para diferentes usos.
Los convertidores electrónicos de Potencia permiten la integración de otras
fuentes a sistema de energía eléctrica ampliando su capacidad y mejorando
su operación.
Los convertidores electrónicos de potencia permiten el acondicionamiento
de fuentes de energía de tipo renovables que no contaminan el ambiente
que es un aspecto importante para la preservación del medio ambiente en
el mundo.
El desarrollo tecnológico en semiconductores para la fabricación de los
convertidores electrónicos como de la microelectrónica para la fabricación
de los procesadores digitales (DSP) y sistemas digitales dedicados (FPGA)
están permitiendo un importante desarrollo de la electrónica de potencia
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