Control de sistemas Hibridos.ppt

II Taller Internacional de Sistemas Híbridos
IIE
Control de sistemas híbridos
Medición de parámetros de
interés (instrumentación de
sistemas híbridos)

IIE
Configuración de un sistema híbrido
Arreglos
fotovoltaicos
Aerogeneradores
Control
electrónico
Generador
diesel o
similar
Red
eléctrica
Carga
Banco de
baterías
Inversores

IIE
Funciones del control
 Proteger el banco de baterías
• De sobrecarga cuando está al 100% de estado de carga
• Sobredescarga del banco de baterías cuando su estado de carga es bajo
 Conectar y desconectar los diferentes elementos del sistema con objeto de
administrar la generación eléctrica solar, eólica, etc. y del grupo electrógeno
Monitoreo de las variables (adquisición de datos)

IIE
 Maximice la generación solar, eólica, etc.
 Reduzca al mínimo la generación del grupo electrógeno
 Reduzca las pérdidas por conversión de energía eléctrica a química y
viceversa.
 Asegure la continuidad en la energización de la carga y
 Disminuya al máximo el autoconsumo de energía por parte del control
Puntos deseados en el control para la
operación óptima del sistema híbrido

IIE
Diversos tipos de controles:
 Diseño dedicado expresamente para el sistema híbrido (desarrollado a base de tarjetas
electrónicas para manejar los relevadores (mecánicos o de estado sólido) contenidos
en un tablero de poder (tipo 1).
 Diseño igual al anterior pero con capacidad de adquisición de datos (tipo 2).
 Integración de un control para el sistema hibrido basado en un sistema comercial (tipo 3).
 Integración de un control para el SH con capacidad de adquisición de datos basado en un
sistema comercial (tipo 4)
 Problemas encontrados en los controles tipo 2:
• Los desarrollos propios son difíciles de reparar, solo el fabricante puede hacerlo (tipo 1).
• El control tiene una capacidad reducida para el monitoreo de variables.
• Poca capacidad para el almacenamiento de información.
• Comunicación permanente con una computadora personal (con mayor tendencia a fallar).

IIE
CONTROL
ELECTRÓNICO
(CON ADQUISICIÓN
DE DATOS)
Sensores de corriente
(generadas,
consumidas y neta del
banco de baterías)
Estado de los
relevadores y
medición del voltaje
del banco de baterías
Fuente
de
alimentación
Sensores
Climatológicos
Tarjetas manejadoras
de relevadores
Hacia
Aerogeneradores y
Arreglos
Fotovoltaicos
Hacia Cargas
del sistema
Relevadores para control
de aerogeneradores y
arreglos fotovoltaicos
Relevadores para
control carga
Control electrónico desarrollado en el IIE (tipo 4):

IIE
Especificaciones para el desarrollo del control
 Integración con base en un sistema comercial
 Capacidad de adquisición de datos y almacenamiento de información
(un mes por lo menos)
 Bajo consumo de corriente
 Facilidad de programación para poder desarrollar y probar diferentes
algoritmos para la administración de la generación y el despacho de carga:
• Maximizar la generación alimentando directamente las cargas con las fuentes de
generación, para evitar pérdidas por conversión a energía electroquímica.
 Integración acorde con la capacidad del sistema híbrido tanto en costo, tamaño,
confiabilidad y autonomía, así como en la robustez en su integración física.
Utilización de relevadores mecánicos para evitar caída de voltaje (estado sólido).
Relevadores de dos polos, dos tiros, con capacidad de 25 A @ 250 V.

IIE
Criterios para el desarrollo del algoritmo de control
 El control detecta y saca de operación la fuente de generación que ha
llevado al banco de baterías a un nivel completo de estado de carga
 Una vez que los aerogeneradores son frenados, el control considera el
patrón de viento del sitio de instalación del sistema para reconectarlos y
disminuir la corriente de excitación (corrientes de autoconsumo)
 Después que los arreglos fotovoltaicos han salido de operación, el control
considera periódicamente la corriente demandada por la carga y reconecta los
arreglos fotovoltaicos, uno por uno, según sea la magnitud de la corriente
demandada
 La reconexión de los arreglos fotovoltaicos, una vez que han salido de
operación, se realiza al finalizar el día solar, para disminuir la pérdida
innecesaria de energía por autoconsumo pero sobretodo para garantizar que el
banco se empezará a cargar al iniciar el día solar

IIE
Criterios para el desarrollo del algoritmo de control
 El control electrónico lleva a cabo las acciones de control para la
operación automática del motogenerador
 El control realiza la adquisición de datos de las principales variables
del sistema híbrido
 El control conmuta las señales de voltaje para la excitación de los
aerogeneradores

IIE
Medición de parámetros de
interés (instrumentación de
sistemas híbridos)

IIE
Pasos para instrumentar un
sistema híbrido:
 Identificar las variables a medir
 Integrar el sistema de adquisición de datos (SAD)
 Realizar el programa del sistema de adquisición de datos
 Realizar pruebas del SAD antes de su instalación
 Realizar la instalación y verificar la operación en el SH
 Operar el SAD durante el período de instrumentación

IIE
La instrumentación de sistemas
híbridos se ha basado en:
 Norma: IEC 61724 Photovoltaic system performance
monitoring – Guidelines for measurement, data
exchange and analysis, 1998-11.
 Norma: IEC 61400-12, Wind turbine generator systems
– Part 12: Wind turbine power performance testing.
1998-02.
 Experiencia del IIE

IIE
Identificar las variables a medir
Arreglos
fotovoltaicos
RSP
RSH
TA
Aerogeneradores
VV
DV
VVG, DVG
VG , IG, PG
Control
electrónico
del sistema
Control
electrónico
del sistema
VFV , IFV,
PFV , TFV
Generador
diesel o
similar
Generador
diesel o
similar
VD , ID , PD
Red eléctrica
Red eléctrica
Carga
IER , PER , PRER
VR
ISR , PSR, PRSR
VC, IC , PC
Banco de
baterías
Banco de
baterías
VB
IEB
PEB
ISB
PSB
SISTEMA HIBRIDO
Inversor
VI
IEI , PEI
ISI , PSI
TBB

IIE
Lista general de las variables a medir
Variable Símbolo Unidades
Climatológicas
Irradiancia solar en el plano de los paneles RSP W/m2
Irradiancia solar en el plano horizontal RSH W/m2
Temperatura ambiente TA °C
Velocidad del viento VV m/s
Dirección del viento DV grados N
Arreglos foto voltaicos
Voltaje de salida de los arreglos VFV V
Corriente de salida de los arreglos IFV A
Potencia de salida de los arreglos PFV W
Temperatura de los paneles fotovoltaicos TFV °C
Aerogeneradores
Voltaje de salida de los aerogeneradores VG V
Co rriente de salida de los aerogeneradores IG A
Potencia de salida de los aerogeneradores PG W
Velocidad del viento a la altura de los AGs VVG m/s
Dirección del viento a la altura de los AGs DVG grados N
Banco de baterías
Voltaje de operación del banc o de baterías VB V
Corriente de entrada al banco de baterías IEB A
Corriente de salida del banco de baterías ISB A
Potencia que entra al banco de baterías PEB W
Potencia que sale del banco de baterías PSB W
Temperatura del banco de baterías TBB °C

IIE
Lista general de las variables a medir (continuación)
Variable Símbolo Unidades
Carga
Voltaje de la carga VC V
Corriente hacia la carga IC A
Potencia entregada hacia la carga PC W
Inversor
Voltaje del inversor VI V
Corriente de entrada al inversor IEI A
Corriente de salida al inversor ISI A
Poten cia de entrada al inversor PEI W
Potencia de salida al inversor PSI W
Fuente de respaldo (grupo electrógeno)
Voltaje de salida VD V
Corriente de salida ID A
Potencia de salida PD W
Red eléctrica
Voltaje de línea de la red VR V
Corriente entrega da a la red IER A
Corriente consumida de la red ISR A
Potencia real entregada a la red PER W
Potencia reactiva entregada a la red PRER VAR
Potencia real consumida de la red PSR W
Potencia reactiva consumida de la red PRSR VAR

IIE
Elaborar la lista de las variables
a medir en el sistema híbrido:
 Una vez que las variables han sido identificadas (apoyándose en la
figura y en la lista general), deberá elaborarse la lista con la
variables a medir en nuestro SH
 La lista deberá contener:
• Nombre de la variable
• Símbolo
• Unidades de medición
• Rango de medición
• Exactitud requerida en la medición

IIE
Integración del SAD
 Equipo de medición
• Operación desatendida, automática y aislada (no se recomienda con PC)
• Capacidad de medición, resolución, memoria autocontenida. Capacidad de control
• Confiabilidad y autonomía. Precisión en las mediciones
• Software de soporte para programación, recuperación de información, etc.
• Facilidad de programación y conexión de sensores de diferentes marcas
• Costo y servicio de soporte (manuales). Marca reconocida.
 Accesorios del equipo de medición
• Fuente ininterrumpible para garantizar operación continua
• Paneles solares (garantizar operación en ausencia de sol)
• Expansor de canales de entrada (multiplexor)
• Gabinete para instalación en exteriores que lo proteja de humedad, corrosión y polvo
• Módulo para almacenamiento de información (garantizar autonomía de un mes de información)
• Capacidad de telecomunicación

IIE
Integración del SAD (continuación)
 Anemómetros (0.5 m/s). Veletas (5°). Bajo costo.
 Piranómetros (error típico 3%).
 Sensor de temperatura ambiente (sonda basada en un termistor)
 Sensores de temperatura de panel y banco de baterías (termopares adhesivos tipo T)
 Transductores de corriente, voltaje y potencia.
• Transductores no invasivos
• Aislamiento entre la entrada y la salida
 Sensores de corriente (shunts)
• 10A, 50A, 500A con salida de 50 mV
• Invasivos y no tienen aislamiento
• Presentan un poco de problema para integrarlos a los SH
 Mediciones de potencia en corriente directa (calculadas a partir de las muestras instantáneas de voltaje y
corriente y no a través del producto de los promedios obtenidos).
 Gabinete para instalar los transductores de corriente, voltaje y potencia que los proteja contra corrosión,
polvo y humedad.

IIE
Integración del SAD (continuación)
 Manual del equipo de medición
 Manuales de los sensores en donde se especifique su conexión, excitación, señal de
salida
 Hojas de calibración de los sensores y del equipo de medición.
 Elaborar la lista con los elementos que integrarán el SAD (equipo de medición,
accesorios y sensores)
 Elaborar el diagrama de conexiones de los sensores en el SAD
• Conexión directa al equipo de medición
• Conexión al expansor de puertos

IIE
Programa del sistema de
adquisición de datos
 Intervalo de muestreo
• Velocidad y dirección del viento cada 2 segundos
• Resto de las variables cada 10 segundos
 Programar la medición de cada uno de los sensores de acuerdo al diagrama de conexiones
realizado
 Calcular las potencias en corriente directa (con las muestras instantáneas de corriente y
voltaje)
 Separar las muestras de corriente y potencia tanto de entrada como de salida (banco de
baterías, red eléctrica, etc.)
 Generar los datos de salida cada 10 minutos (se puede hacer cada hora).
 Elaborar la lista de los datos a generar en el SAD cada 10 minutos

IIE
Lista de datos a generar cada 10 minutos
Variable Dato generado Símbolo Unidades
Fecha (día juliano) corriente - -
Hora (hora y minutos) corriente - -
Irradiancia en el plano de los paneles promedio RSP W/m2
Irradiancia horizontal promedio RSH W/m2
Temperatura ambiente promedio TA °C
Veloci dad del viento promedio VV m/s
Dirección del viento resultante vectorial DV grados N
Desviación estándar de la velocidad del viento desviación estándar sVV m/s
Voltaje de salida de los arreglos promedio VFV V
Corriente de salida de los arreglos promedio IFV A
Potencia de salida de los arreglos promedio PFV W
Temperatura de los paneles fotovoltaicos promedio TFV °C
Voltaje de salida de los aerogeneradores promedio VG V
Corriente de salida de los aerogeneradores promedio IG A
Potencia de salida de lo s aerogeneradores promedio PG W
Velocidad del viento a la altura de los aerogeneradores promedio VVG m/s
Dirección del viento a la altura de los aerogeneradores resultante vectorial DVG grados N
Desviación estándar de la velocidad del viento desviación estándar sVVG m/s
Voltaje de operación del banco de baterías promedio VB V
Corriente de entrada al banco de baterías promedio IEB A
Corriente de salida del banco de baterías promedio ISB A
Potencia que entra al banco de baterías promedio PEB W
Potenci a que sale del banco de baterías promedio PSB W
Temperatura del banco de baterías promedio TBB °C

IIE
Lista de datos a generar cada 10 minutos (continuación)
Variable Dato generado Símbolo Unidades
Voltaje de la carga promedio VC V
Corriente hacia la carga promedio IC A
Potencia entregada a la carga promedio PC W
Potencia reactiva entregada hacia la carga promedio PRC VAR
Voltaje del inversor promedio VI V
Corriente de entrada al inversor promedio IEI A
Corriente de salida del inversor promedio ISI A
Potencia de entrada al inversor promedio PEI W
Potencia de salida del inversor promedio PSI W
Voltaje de salida del generador diesel o similar promedio VD V
Corriente de salida del generador diesel o similar promedio ID A
Potencia de salida del generador diesel o similar promedio PD W
Tiempo de operación del generador diesel o similar totalizado tOP minutos
Voltaje de línea de la red eléctrica promedio VR V
Corriente entregada a la red eléctrica promedio IER A
Corriente consumida de la red eléctrica promedio ISR A
Potencia real entregada a la red eléctrica promedio PER W
Potencia reactiva entregada a la red eléctrica promedio PRER VAR
Potencia real consumida de la red eléctrica promedio PSR W
Potencia reactiva consumida de la red eléctrica promedio PRSR VAR
Velocidad del viento a 10 metros máximo VV m/s
Velocidad del viento a la altura de los aerogeneradores máximo VVG m/s
Corriente de salida de los aerogeneradores máximo IG A
Potencia de salida de los aerogeneradores máximo PG W
Voltaje de operación del banco de baterías máximo VB V
Voltaje de operación del banco de baterías mínimo VB V

IIE
Pruebas del SAD antes de su instalación
(verificación de su funcionamiento)
 Integrar físicamente el SAD (conectar el equipo de medición, accesorios y sensores)
 Cargar el programa de aplicación especifica en el equipo de medición.
 Verificar que mida correctamente cada una de las variables. Comparar con:
• Multímetros
• Amperímetros de gancho
• Analizadores de potencia o demanda eléctrica
• Otros sensores
 Revisar que los equipos con los que se comparen las mediciones estén con calibración
vigente
 Verificar que se graben todos los datos correctamente
 Detectar errores de programación
 Detectar errores de conexión
 Detectar problemas de ruido (aterrizar el blindaje de los cables del lado del equipo de
medición)

IIE
Instalación del SAD
 Los gabintes deben estar fijos y colocados a la menor distancia de los sensores para evitar
problemas de ruido, caidas de voltaje en cables largos y evitar una mala instalación.
 El piranómetro para medir en el plano de los paneles debe estar lo más próximo a ellos.
 El sensor de temperatura ambiente debe estar en el exterior y protegido contra la radiación
directa del sol.
 Los anemómetros y las veletas deben estar libres de obstáculos a su alrededor para evitar
turbulencia en ellos, de preferencia en una torre expresamente para ellos.
 Cuando se conecten shunts deberán colocarse en la terminal negativa de los voltajes,
cuando el equipo de medición así lo requiera. Revisar rango de medición del equipo.
 Numerar cables para su identificación para facilitar eventos de conexión y desconexión.
 Deberá usarse tubería conduit para evitar lo mayor posible algún daño a los cables.
 En donde no sea posible poner tubería, deberán colocarse cinchos plásticos, resistentes a los
rayos ultravioleta donde así sea requerido.

IIE
Operación del SAD
 Recuperar los datos de preferencia cada mes.
 Siempre que sea posible, en los eventos de recuperación deberá revisarse el SAD para
detectar problemas en el equipo de medición y en los sensores.
 Cada archivo generado deberá estar formado por:
• el nombre del lugar donde está instalado el sistema híbrido
• número consecutivo del evento de recuperación
 Deberá llevarse un control sobre los archivos de datos que se vayan generando haciendo
un respaldo en diskette o disco compacto.
 Deberá llevarse una bitácora en el SH en donde se reporten eventos aleatorios (fallas,
reparaciones, cambio de sensores) y eventos programados (limpieza de módulos,
colocación de sensores calibrados, etc.)
 Deberá llevarse un control sobre los periodos de calibración de los sensores.

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