22 de mayo de 2017

“INYECCIÓN DE POTENCIA A LA RED ELÉCTRICA UTILIZANDO UNA TOPOLOGÍA TIPO T”.

Asesores de tesis:

Dr. Pánfilo Raymundo Martínez Rodríguez

Dr. Andrés Alejandro Valdez Fernández

I. RESUMEN

En este proyecto se propone el estudio de convertidores de potencia y sus correspondientes leyes de control para la inyección de potencia a la red eléctrica sin transformador. Este trabajo está enfocado principalmente al uso y aprovechamiento de fuentes no convencionales de energía como generadores eléctricos primarios. Para poder realizar inyección de potencia a la red eléctrica se utiliza un convertidor electrónico de potencia como fuente inversora de tensión o (VSI) el cual se acopla a la red eléctrica a través de un elemento de filtrado. En este sentido se considera inicialmente el uso de filtros de primer orden del tipo inductivo L (inductor), comenzando con el estudio de filtros de orden superior como el LCL (inductor-capacitor-inductor). Las leyes de control propuestas deben ser capaces de inyectar corriente a la red eléctrica utilizando un filtro en particular y buscando en todo momento satisfacer los requerimientos de la red eléctrica. Esto es inyectar una corriente sinusoidal y en fase con el voltaje de la red. El diseño de las leyes de control se basa en el modelo del sistema, el establecimiento de objetivos de control y la propuesta o síntesis de controladores que cumplan con dichos objetivos. El inversor propuesto para utilizarse es del tipo T conectado a través de un filtro directamente a la red eléctrica. Finalmente se realizará una implementación de un prototipo experimental de al menos 1 KW para verificar la efectividad de dichas leyes de control.

II. INTRODUCCIÓN

La inyección de potencia activa a la red eléctrica se utiliza principalmente en el aprovechamiento de fuentes no convencionales de energía como generadores eléctricos primarios. Entre las alternativas existentes, los sistemas fotovoltaicos han ganado un lugar en el mercado de generación de energía, esto debido a la abundancia del recurso solar en diversas latitudes a nivel mundial. En México, el recurso solar es basto sin embargo no ha sido explotado ampliamente para la generación de energía eléctrica. Un objetivo fundamental que se establece en el control de inversores para inyección de potencia a la red eléctrica es hacer seguimiento sobre la referencia de corriente, en este sentido la generación de la referencia por sí misma es un campo de estudio que se debe abordar cuando se diseñan leyes de control en lazo cerrado para este tipo de sistemas. El control puede ser directamente resuelto como un control en modo corriente o bien a través de algunas otras técnicas, ejemplo de esto es el control directo de la potencia (DPC) [1]. En el primer caso la ley de control debe ser diseñada tal que garantice seguimiento directo sobre la referencia de corriente, la cual se construye a partir de la tensión de red. El objetivo es garantiza que la corriente inyectada a la red sigue la señal de referencia de la corriente. Por tanto, el lazo de la corriente es el responsable del control de la calidad de la energía inyectada, esto es, se encarga también de la compensación de la distorsión armónica así como de mantener en fase la corriente inyectada con el voltaje de la red. En el caso de los métodos de control directo de Potencia, las variables de control se ponen en términos de corriente activa P y corriente reactiva Q, en este caso el esquema de control se realiza directamente sobre las variables de potencia y entonces el problema de control se vuelve un problema de regulación de las variables a una referencia deseada en este caso PP* y Q 0, en el caso que se desee inyectar únicamente potencia activa a la red.

En este trabajo de tesis se considera la inyección de potencia activa a la red eléctrica tal como se muestra en la Fig. 1. Aunque existen diversas técnicas para el control de convertidores de potencia el control Modo corriente ha demostrado ser una de las mejores opciones para el control de este tipo de sistemas. Por lo que a través de este trabajo de tesis se proponen leyes de control basadas en el modelo en control modo corriente para la inyección de potencia activa. Dentro de los objetivos principales de las leyes de control propuestas están el seguimiento de una referencia de corriente construida a través de la tensión de la red, lo cual implica que se debe inyectar una corriente libre de contaminación armónica y en fase con el voltaje de red. En este sentido se considera el voltaje de CD a la entrada del inversor como una fuente regulada. Esto es posible debido a que normalmente en los inversores para aplicaciones de conexión a la red eléctrica sin transformador se considera una etapa previa de regulación del voltaje de CD, la cual se lleva a cabo mediante una topología de convertidor CD-CD. Sin embargo, para el caso de convertidores multinivel, se debe considerar en la mayor parte de los casos el diseño de lazo de control para el balance de capacitores.

El inversor inyecta corriente a la red eléctrica en tanto que la tensión permanece fija a la tensión de la red eléctrica en el punto de conexión después del filtro de salida. En este punto la corriente que envía el inversor a la red debe contener baja distorsión armónica, estar en fase con la tensión producir bajas interferencias electromagnéticas y cumpliendo con normas de seguridad. En inversores conectados a la red eléctrica el filtro de conexión a la red es por tanto un elemento fundamental ya que la señal de la corriente inyectada debe cumplir con los estándares internacionales establecidos para la cogeneración de energía eléctrica, como el IEEE-1547 y el IEC61727 [2], entre otros.

Figura 1 Sistema para cogeneración de energía eléctrica basada en un SFV.

En aplicación de inyección de potencia a la red eléctrica los filtros de primer orden L [3] y los filtros de tercer orden del tipo LCL [4], [5] son los más utilizados. El filtro L utilizado junto con la topología tipo T es mostrado en la Fig. 2 a), el cual corresponde con un filtro de primer orden, por tanto, el tamaño del filtro debe ser mayor para atenuar los armónicos de conmutación o bien la frecuencia de conmutación debe incrementarse para reducir el tamaño del filtro, lo cual implica un reto tecnológico por sí mismo. El convertidor tipo T de la Fig. 2 b) utiliza un filtro de tercer orden del tipo LCL, con lo que se pueden obtener mayores atenuaciones a la frecuencia de conmutación. Si consideramos la respuesta en la frecuencia de dicho filtro, este tiene la capacidad de atenuar 60 dB/década en contraste con el filtro L el cual puede atenuar solo 20 dB/década. Por tanto la utilización de filtros de tercer orden tiene la ventaja de disminuir el tamaño de los elementos de filtrado proporcionando una mayor capacidad de filtrado [3]-[17]. Sin embargo los problemas en el diseño del sistema de control y el propio filtro se vuelven más complejos.

Debido a que existen diversas técnicas de control para el lazo de corriente las estrategias de control pueden variar. Una de las técnicas para el control de la corriente es la utilización de un controlador Proporcional Integral (PI) en técnicas DPC [1]. Por otro lado cuando se busca seguimiento de la referencia de corriente, se prefieren técnicas basadas en control adaptable, las cuales resultan en la utilización de bancos de filtros resonantes o también conocidos como controladores Proporcional más Resonantes (PR) [2], [18], [19].

Figura 2. VSI con conexión a red sin transformador y filtro de a) de primer orden (L) y b) tercer orden (LCL).

En particular la topología del tipo T se ha popularizado en aplicaciones fotovoltaicas debido a que las corrientes de dispersión que se produce a la salida del inversor poseen un contenido armónico bajo [20],[21]. El tópico de corrientes de fuga o dispersión resulta de suma importancia técnica y científica en convertidores conectados a la red eléctrica utilizando sistemas PV debido a la normalización actual [24]-[27]. Además de estos se ha explorado utilizar inversores multinivel presentan características interesantes tales como que la señal de corriente o voltaje que se produce a la salida del inversor son señales con un contenido armónico bajo e inclusive con capacidad de tratar con las corrientes de modo común [28]-[30]. Estas corrientes de dispersión son producidas por sistemas conectados a la red sin aislamiento galvánico. En la Figura 3, se muestra un diagrama general de la implementación esperada.

Figura 3 Inversor HB-NPC de 5 niveles

III. OBJETIVO

Realizar síntesis de controladores basadas en el modelo para convertidores del tipo T para la inyección de potencia a la red eléctrica mediante convertidores de potencia acoplados a la red sin transformador con el uso de filtros L y LCL.

IV ACTIVIDADES A REALIZAR

III ACTIVIDADES A REALIZAR

En la Tabla 1 se presentan las actividades a realizar durante el desarrollo de la tesis. Además el estudiante debe cursar dos de las siguientes cuatro materias:

Automatización de procesos

Detección y estimación

Tópicos selectos de Ingeniería Electrónica

Electrónica de potencia avanzada

Tabla 1. Cronograma de actividades

Junio-diciembre 2017
Programación mensual
Actividad	06	07	08	09	10	11	12
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
A.6
Enero-julio 2018
Programación mensual
Actividad	01	02	03	04	05	06	07
A.7
A.8
A.9
A.10
A.11
A.12
agosto 2018
Programación semanal
Actividad	I/08	II/08	III/08	IV/08
A.13
A.14

Actividades:

Revisión Bibliográfica

Estudio del concepto general de convertidores sin transformador para la inyección de potencia a la red.

Diseño de la topología y filtro en base a las especificaciones de potencia.

Simulación de la topología en lazo abierto.

Modelado del sistema.

Diseño de la ley de control.

Simulación del sistema funcionando en lazo cerrado.

Implementación de la topología en lazo abierto.

Programación de la ley de control.

Puesta en marcha del sistema en lazo cerrado

Obtención de resultados experimentales

Escritura del documento de tesis

Presentación de examen previo

Presentación de final de grado.

V BIBLIOGRAFÍA

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