Control e instrumentación de sistemas híbridos

Javier Lagunas Mendoza

18 de octubre del 2000

Control del sistema híbrido (SH):

Arreglos fotovoltaicos

Aerogeneradores

Control electrónico

Generador diesel o similar

Red eléctrica

Carga

Banco de baterías

Inversores

Funciones del control del SH:

Interconectar los diferentes elementos del sistema híbrido

Administrar la generación eléctrica solar, eólica, etc. y del grupo electrógeno a

través de la conexión y/o desconexión de las fuentes generadoras

Se puede administrar la generación de manera que se aproveche cuando hay

recurso disponible

Controlar la conexión/desconexión de la carga dependiendo de la disponibilidad

de energía en el banco de baterías

Proteger el banco de baterías

• No sobrecargando el banco de baterías cuando éste está al 100% de carga

• No sobredescargando el banco de baterías cuando su estado de carga es bajo.

El control puede ser del siguiente tipo:

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).

Control electrónico desarrollado en el IIE (tipo 1):

Elementos del Sistema Híbrido eólico-fotovoltaico desarrollado en el 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):

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.

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

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

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 eléctricaRed eléctrica

CargaCarga

IER , PER , PRER

VR

ISR , PSR, PRSR

V C, IC , PC

Banco de bateríasBanco de baterías

VB

IEB

PEB

ISB

PSB

SISTEMA HIBRIDO

Inversor

VI

IEI , PEI

ISI , PSI

TBB

Lista general de las variables a medirVariable 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 fotovoltaicos

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

Corriente 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 banco 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

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

Potencia 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 entregada 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

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

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

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.

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

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

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

Velocidad del viento promedio VV m/s

Dirección del viento resultante vectorial DV grados N

Desviación estándar de la velocidad del viento desviación estándar VV 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 los 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 VVG 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

Potencia que sale del banco de baterías promedio PSB W

Temperatura del banco de baterías promedio TBB °C

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

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)

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.

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.

Control con capacidad de adquisición de datos del SH de Pachuca