Tercer Congreso Nacional – Segundo Congreso Iberoamericano Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2009
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SISTEMA AUTÓNOMO EÓLICO-DIESEL CON MAQUINA DE INDUCCIÓN Y ALMACENAMIENTO EN BATERÍAS / ULTRACAPACITORES / INERCIA Toccaceli G.M.(1,2), Cendoya M.G.(1,2), Battaiotto P.E.(1) (1) Facultad de Ingeniería - UNLP, Calle 1 y 47, 1900, La Plata, Argentina. (2) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas. CONICET, Argentina.
[email protected] RESUMEN La disponibilidad de recursos renovables en regiones remotas hace que los Sistemas Autónomos de Generación Eólica-Diesel/Gas sean una ventajosa alternativa para la provisión de energía eléctrica en corriente alterna. En estos casos se requiere una potencia en la carga de tensión y frecuencia fijas. Orientado a esta situación, se propone un Sistema de Generación Eólica-Diesel/Gas (50/150KW), con una Estrategia de Conversión y Control basada en el empleo de un Aerogenerador de Inducción de velocidad variable y un Sistema Modular de Almacenamiento. El Generador Diesel/Gas opera solamente cuando el consumo excede la máxima potencia disponible en el canal eólico y en el sistema de almacenamiento. Los valores de tensión, frecuencia y potencia reactiva en la red son provistos por un módulo del Sistema de Almacenamiento o, en su defecto, por el Generador Sincrónico Diesel/Gas. El Aerogenerador, controlado para proveer un valor de potencia de CA constante, está constituido por una turbina de eje horizontal con paso fijo, y un generador asincrónico de rotor bobinado con un accionamiento tipo Kramer estático. Los Módulos del Sistema de Almacenamiento operan directamente sobre la red de CA, mediante un inversor de tensión ó corriente, según corresponda, controlado con una estrategia diferente y compatible con las características eléctricas de los componentes de almacenamiento. Se combinan módulos con Bancos de Baterías/Ultracapacitores/Volantes de Inercia. El Banco de Baterías, debido a su gran densidad de energía, se emplea para mantener la tensión en la red, compensando los desbalances de potencia ante variaciones lentas de carga o disminución del recurso eólico. Los Bancos de Ultracapacitores o Volantes de Inercia, debido a su gran densidad de potencia, colaboran con el Banco de Baterías suministrando los niveles de corriente que exceden la capacidad de este último, frente a cambios abruptos y elevados de la carga. La operación de todo el sistema se realizada con un Control Supervisor que determina: -La Potencia del Canal Eólico en correspondencia con la Potencia de Carga - El estado de carga los Elementos de Almacenamiento - El estado de arranque-parada del Generador Diesel/Gas. Se simula el Sistema para distintas condiciones de viento y carga, en ambiente MATLAB®-Simulink. Palabras Claves: Autónomo, Remoto, Eólica, Diesel-Gas, Batería, Ultracapacitor, Supercapacitor.
1. INTRODUCCIÓN
En regiones remotas donde no accede la red de distribución, los Sistemas de Generación Autónomos constituyen una importante y ventajosa alternativa para la provisión de energía eléctrica residencial. La misma, siendo que la mayoría de las cargas o dispositivos a ser alimentados son comerciales y normalizados, deberá ser de CA con tensión y frecuencia fijas. En estos casos también se requiere una provisión de potencia no fluctuante con la variabilidad de la velocidad del viento y con las fluctuaciones de carga. Orientada a este tipo de demanda energética, de carga eléctrica y de situación geográfica, en este
trabajo se propone y analiza un Sistema de Generación Eólica-Diesel/Gas, basado en el empleo de un Aerogenerador de Velocidad Variable para el mejor aprovechamiento del recurso eólico, y un Sistema Modular de Almacenamiento de Energía, para compensar las fluctuaciones de potencia. El Generador Diesel/Gas opera solamente cuando el consumo excede la máxima potencia disponible en el canal eólico y en el sistema de almacenamiento. El sistema de almacenamiento proveerá energía durante un período de tiempo relativamente corto, cuando la demanda de carga de CA supere la potencia eólica disponible, y podrá almacenar energía, si su estado de carga lo requiere, cuando la potencia disponible supere a la carga de CA.
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Se ha optado, para analizar el Sistema, la utilización de solamente dos Módulos de Almacenamiento, uno basado en Baterías de Ciclo Profundo y otro en Ultracapacitores. Al Banco de Baterías se le ha asignado la tarea de mantener fijas la tensión y la frecuencia cuando el Generador Diesel/Gas está fuera de operación. Su gran densidad de energía resulta ideal para compensar desbalances en la red ante variaciones lentas de carga ó insuficiencia del recurso eólico. El Banco de Ultracapacitores, o el Volante de Inercia en su defecto, con su gran densidad de potencia suministra/absorbe el exceso de corriente que el Banco de Baterías no debe manejar para no reducir su vida útil (arranque de motores, por ejemplo). Todas las acciones de supervisión y control se tomarán a partir de la medición de variables eléctricas y de la velocidad de rotación de la turbina. La propuesta que se realiza y los resultados obtenidos en una primera etapa de I+D, son presentados en este trabajo bajo la forma de: - ESTRUCTURA DEL SISTEMA - MODO DEOPERACIÓN Y CONTROL - MODELADO - EVALUACIÓN POR SIMULACIÓN - CONCLUSIONES
2. ESTRATEGIA DE CONVERSION Una estrategia de conversión está constituida por dos aspectos centrales que son, la configuración o estructura del sistema físico de conversión y el modo en que se operan y controlan las partes constitutivas del mismo 2.1 Estructura del sistema El sistema de conversión se presenta en la Fig.1. Una turbina de eje horizontal tripala con paso fijo realiza la conversión eólico-mecánica y un generador asincrónico trifásico de rotor bobinado, con un accionamiento Kramer estático, realiza la conversión mecánicoeléctrica. Actuando sobre el ángulo de disparo Į del rectificador controlado se puede variar el aporte de potencia del aerogenerador. En esta topología de conversión la potencia que maneja el convertidor es una fracción de la potencia total generada, resultando un sistema económico y de sencilla implementación. Además, es posible aprovechar aerogeneradores usados, provenientes de países que están realizando recambios tecnológicos.
Figura 1. Estructura del Sistema Autónomo El Banco de baterías se vincula a la red mediante un inversor trifásico de tensión, modulado con técnica PWM sinusoidal. Un filtro pasabajos evita contaminar la red con armónicos de alta frecuencia, producto de la conmutación. Un lazo cerrado de control, fija la tensión y frecuencia en la red de CA. El banco de Ultracapacitores se conecta a la red a través de un inversor trifásico de tensión, con inductores en serie en cada fase. Un lazo cerrado de control determina la corriente inyectada a la red, siguiendo una referencia. Ambos módulos de almacenamiento son capaces de entregar o recibir potencia, Un Generador Sincrónico, impulsado por un motor Diesel o una Turbina de Gas, alimenta la red en forma directa y tiene asociados los sistemas usuales de control de tensión y frecuencia, que actúan sobre el campo y la velocidad de rotación. Por último, un sistema Control Supervisor se encarga de operar el sistema en su conjunto.
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2.2 Modo de Operación y Control
TG Re f 2.2.1 Control del Aerogenerador La potencia que desarrolla una turbina eólica es:
PT
CP O PW
1 CP O U Av 3 2
(1)
donde: Cp(Ȝ): coeficiente de potencia. Ȝ=rȦ/v. r: radio de pala. Z: velocidad de rotación. PW: potencia del viento. U: densidad del aire. A=S r2: área de captura. v: velocidad del viento. La cupla producida por la turbina será entonces:
CP O 1 (2) U Arv 2 O 2 La PTmax se obtiene con CPmax=CP(Oo). En el plano T-Ȧ los puntos correspondientes a Oo PT
TT Z TT
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2 , Z Zcruce ° KT Z (6) ® °¯ PRe f /(KconvZ ) , Z ! Zcruce
con:
Zcruce
3
PRe f /(Kconv KT )
Șconv: rendimiento de conversión. La curva de trabajo del generador queda formada por la conjunción de la parábola de PTmax, a la izquierda, y la hipérbola de PRef, a la derecha. Se excluye de esta forma, todo punto de operación (transitorio o estacionario), que pueda provocar un eventual bloqueo de la turbina por operar en zona no controlable. En la Fig. 2 se muestran TT=f(Ȧ,v) y TG=f(Ȧ,PRef) Dependiendo de v y PRef , el punto de operación (intersección de TT con TG), caerá sobre la parábola de PTmax, o sobre la hipérbola de PRef. Es decir, que con v suficiente se genera PRef, en caso contrario, se entrega una potencia menor, PTmax.
describen una parábola, dada por:
TT P max (Z )
KT Z 2
(3)
con: KT
1 U Ar 3C P max / Oo3 2
Despreciando el roce, el punto de operación del aerogenerador en estado estacionario (Ȧ=cte.), queda definido por: TT TG (4) donde: TG: cupla del generador. Para trabajar en un punto deseado, se debe imponer TG, lo que se consigue mediante un lazo de control que actúa sobre Į. TG se mide en forma indirecta, sensando variables eléctricas. En máquinas asincrónicas, si se desprecian las pérdidas en hierro y en cobre de estator, se cumple que: PS PGap TG ZS
TG
(va ia vb ib vc ic ) / ZS
(5)
Figura 2. Curvas de la turbina y del generador. 2.2.2 Control del Banco de Baterías Cuando el Generador Diesel-Gas no opera, el Banco de Baterías fija la tensión y frecuencia de la red. La referencia del lazo de control de tensión del inversor asociado deberá ser compatible con los requerimientos de las cargas residenciales a alimentar (amplitud y frecuencia).
con: PS: potencia en estator. PGap: potencia en entrehierro. va, vb y vc: tensiones estatóricas. ia ,ib e ic: corrientes estatóricas. Ȧs=2ʌf/p: velocidad sincrónica. f: frecuencia de la red, p: pares de polos. La cupla de referencia se determina a partir de Ȧ y PRef, (potencia generada deseada), como:
2.2.3 Control del Banco de Ultracapacitores La corriente que entrega/absorbe el banco de baterías depende del balance de potencias circunstancial del sistema. Si la misma excede el valor máximo recomendado por el fabricante, se acorta su vida útil. Para evitar esto, el banco de capacitores entrega/absorbe la corriente en
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exceso. La referencia del lazo de control de corriente del inversor asociado es: I SC Re f
, iB I B max °0 ® °¯ K SC iB , iB ! I B max
3.2 Banco de Baterías - Inversor de tensión
(7)
donde: iB: corriente del banco de baterías. IBmax: valor máximo de iB. KSC: factor de ajuste.
VBat
EBat RBat iBat
1 iBat dt C Bat ³
(10)
iBat
(va ia vb ib vc ic ) / KinvVBat
(11)
B
VˆCA
B
2.2.3 Sistema de Control Supervisor
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mV VBat
va °° o ®vb ° °¯vc
VˆCA sen(2S ft ) VˆCA sen(2S ft 120º ) Vˆ sen(2S ft 120º )
(12)
CA
con:
El sistema de Control Supervisor controla al sistema autónomo en su conjunto, teniendo bajo su dominio el aporte de potencia de cada módulo del sistema. Se calcula la potencia media de la carga y el estado de carga del sistema de almacenamiento (mediante VBat, IBat y VSC, ISC). Las acciones tomadas por el mismo son: x Sist. de almacenamiento con carga nominal ĺPRef=PCarga x Sist. de almacenamiento subcargado ĺPRef=PCarga+ǻP x Sist. de almacenamiento sobrecargado ĺPRef=PCarga-ǻP x Sist. de almacenamiento subcargado y energía eólica insuficiente ĺpuesta en marcha Diesel-Gas. Mediante la variable ǻIB, Fig.1; el sistema supervisor puede controlar la carga/descarga de los ultracapacitores en forma independiente de las baterías.
mV=VCARef/VBat: índice de modulación, satura en mVmin y mVmax. Șinv: rendimiento del inversor. 3.3 Banco de Ultracapacitores – Inversor VSC
iSC
IˆSC
RSC iSC
1 iSC dt C SC ³
(13)
(va ia vb ib vc ic ) / K invVSC
ia °° 2 Kinv I SC Re f VSC o ®ib 3 VˆCA ° °¯ic
(14)
IˆSC sen(2S ft ) IˆSC sen(2S ft 120º ) Iˆ sen(2S ft 120º ) SC
(15) 4. EVALUACIÓN DE LA ESTRATEGIA DE OPERACIÓN PROPUESTA
B
3. MODELADO DEL SISTEMA Modelos matemáticos de los componentes del sistema. 3.1 Aerogenerador
4
Sistema mecánico
TT TG
J
dZ BZ dt
(8)
donde: J: momento de inercia, turbina+generador B: coeficiente de roce, turbina+generador TT calculada mediante (2) y CP(O) en tabla o curva de ajuste. TG =TRef calculada con (6). Generador - Accionamiento Kramer
IˆW
ia 2 KconvTGZ °° o ®ib ˆ 3 VCA ° °¯ic
La evaluación del sistema propuesto se realizó mediante simulación en ambiente MATLAB®Simulink. Para ello se emplearon los modelos presentados en el inciso 3, y se dimensionó un canal de generación eólica con una potencia de 100KW para un viento de v=14m/s. Los valores empleados para los parámetros de los modelos se presentan seguidamente: Turbina: Tripala, eje horizontal, paso fijo, r=7m, U=1.2242 Kg./m3.Cp dado por: C p O c1 ª¬c2 1/ O 0.0035 c3 º¼ e c / O c5O (16)
IˆW sen(2S ft ) IˆW sen(2S ft 120º ) Iˆ sen(2S ft 120º ) W
(9)
con: c1=0.5176; c2=116, c3=5, c4=21, c5=0.0068. Resulta Cpmax = 0.48, (Oo= 8.1) Banco de Baterías: Pb-ácido, tensión nominal VBat=60x12V, RBat=1ȍ. CBat=5040F. Banco de ultracapacitores: tensión nominal VSC=1000V, RSC=0,1ȍ. CSC=10F. Se evaluaron dos situaciones de test diferentes, considerando en ambas que la tensión y frecuencia en la línea de corriente alterna se mantienen en los valores nominales. Esto último implica que el sistema de almacenamiento deberá en todo momento tomar ó entregar la potencia necesaria para mantener el balance de potencia en la red de CA. Los resultados son presentados en el plano cupla-velocidad de la turbina, como
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trayectorias indicativas de la variación transitoria de potencia en las diferentes partes del sistema. Conjuntamente se representan, bajo la forma de diagramas temporales, las potencias mecánicas y eléctricas instantáneas asociadas a los componentes del sistema, en correspondencia con dichas trayectorias. Caso 1 Viento variable - Potencia de Carga cte. Se analizan las evoluciones transitorias de potencia frente a variaciones escalonadas de viento según Fig. 4. Los resultados se presentan en Fig. 5,6 y 7. La Fig. 3 muestra la evolución de los puntos de operación de la turbina eólica y del generador eléctrico, y el aporte de potencia del sistema de almacenamiento. El punto A en la Fig. 3 representa el estado estacionario inicial. La potencia de CA entregada por el aerogenerador es de 50KW. El viento inicial es de 11m/s. En estas condiciones se somete al sistema a las variaciones de la Fig. 4. En la Fig. 7 se comprueba que mientras la potencia CA del generador es igual a la de carga, la contribución del sistema de almacenamiento es nula. En el trayecto (Y,D,D’,Y) el generador entrega la PTmáx correspondiente y el almacenamiento entrega la Potencia restante para completar los 50KW de carga. Durante la evolución transitoria entre puntos de estado estacionario (A,B,C,D,E), la diferencia entre potencia de generador y de turbina, es entregada o absorbida por la inercia J de todo el sistema rotante, según Fig. 6.
Figura 5. Potencia de Turbina.
Figura 6. Potencia de Generador, Batería+UC.
Figura 7. Potencia de Inercia. Caso 2 Viento cte. – Potencia de Carga variable
Figura 3. Evolución de los puntos de operación.
Figura 4. Perfil de velocidad de viento.
Se analiza la evolución transitoria de potencia en la turbina, en la inercia J, en el generador y en el sistema de almacenamiento, frente a variaciones escalonadas de la Potencia CA según Fig. 9. Los resultados se presentan en Fig. 10-11-12. El punto A en la Fig. 8 representa el estado estacionario inicial. La Fig. 8 muestra la evolución de los puntos de operación de la turbina eólica, y del generador eléctrico, y el aporte de potencia del almacenamiento. En la Fig. 12 se comprueba que la potencia del generador, igual a la de la carga, y la de almacenamiento es nula, mientras la PTmáx>PCA. Para velocidades en que resulta PTmáx