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EMULADOR DE UNA MICRORRED RESIDENCIAL AISLADA CON UN SISTEMA DE GESTIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE
GENERACIÓN FOTOVOLTAICA Y TECNOLOGÍA V2G
Wilmer Eduardo Guacaneme Muñoz
Andrés Felipe Rodriguez Benavides
Luis Miguel Gómez Páez
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ
2016
ii
EMULADOR DE UNA MICRORRED RESIDENCIAL AISLADA CON UN SISTEMA DE GESTIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE GENERACIÓN FOTOVOLTAICA Y TECNOLOGÍA V2G
Wilmer Eduardo Guacaneme Muñoz
Andrés Felipe Rodriguez Benavides
Luis Miguel Gómez Páez
Tesis de grado presentada como requisito para optar al título de:
INGENIERO ELÉCTRICO
Director:
I.E., M.Sc, Ph.D Francisco Santamaría Piedrahita
Director:
I.E., M.Sc, Ph.D César Leonardo Trujillo Rodríguez
Grupo de Compatibilidad e Interferencia Electromagnética
Línea de investigación: Vehículos eléctricos
Laboratorio de Investigación en Fuentes Alternativas de Energía
Línea de investigación: Generación distribuida
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ
2016
iii
AGRADECIMIENTOS
A mi madre por su amor incondicional durante el trascurso de mi carrera a pesar de las veces en las que le falle. A mi padre por su sabiduría y consejos durante el transcurso de estos años. A Dios por Brindarme la oportunidad de recorrer este camino y creer en mí a pesar de las promesas rotas. A mis compañeros de tesis Luis Gómez Y Andrés Rodríguez por su paciencia y comprensión en el desarrollo del presente proyecto y la amistad brindada durante el trascurso de estos años. A mis directores de tesis por sus enseñanzas y consejos durante mi carrera y desarrollo del presente proyecto. Por ultimo a mis amigos y compañeros con los que tuve el privilegio de recorrer este camino.
Wilmer Eduardo Guacaneme A mis padres por mostrarme el camino correcto y guiarme por él, por ser los principales promotores de mi sueño, por su apoyo incondicional, su comprensión y por acompañarme durante mi proceso de formación. A mis directores de tesis por su ayuda, su comprensión, su conocimiento y sus orientaciones las cuales han sido fundamentales durante el desarrollo de este proyecto. A mis compañeros Luis Gómez y Wilmer Guacaneme por su paciencia, apoyo y esfuerzo durante el desarrollo del proyecto. Finalmente a mis compañeros de estudio por la amistad brindada en mi proceso de formación, especialmente a Roció Joya y Ronyver Gómez por sus consejos y su apoyo incondicional.
Andrés Felipe Rodríguez Este proyecto es dedicado a todas las personas presentes en el desarrollo de mi formación como profesional, en primera instancia agradezco a mis padres, hermanos y mi novia por su apoyo y paciencia en tan largo proceso. A mis compañeros de tesis por su dedicación, aportes y colaboración para cumplir todos los objetivos. A mis directores de proyecto por sus orientaciones y consejos que permitieron alcanzar los objetivos de este proyecto. A todos mis compañeros de carrera que compartieron conmigo todo este proceso y con los cuales mantengo un lazo de amistad.
Luis Miguel Gómez
iv
v
Contenido Lista de figuras .............................................................................................................. viii
Lista de tablas .................................................................................................................ix
Índice de Abreviaturas ..................................................................................................... x
RESUMEN........................................................................................................................xi
ABSTRACT .......................................................................................................................xi
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1
Objetivos ..................................................................................................................... 4
General .................................................................................................................... 4
Específicos ............................................................................................................... 4
Organización del documento ........................................................................................ 4
1. MARCO REFERENCIAL ............................................................................................... 7
1.1. Generación distribuida....................................................................................... 7
1.2. Microrredes Eléctricas ....................................................................................... 7
1.2.1. Modo de Operación de una microrred ............................................................. 8
1.2.2. Clasificación de las microrredes ....................................................................... 9
1.3. Vehículo Eléctrico ............................................................................................ 10
1.3.1. Tipos de Vehículos eléctricos..................................................................... 10
1.3.2. Niveles de Carga del Vehículo Eléctrico...................................................... 11
1.4. Sistema de gestión de energía .......................................................................... 12
1.4.1. Gestión de energía en el hogar (HEMS) .......................................................... 12
1.4.2. Gestión de la demanda.................................................................................. 13
2. DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL EMULADOR .................................... 15
2.1. Configuración del emulador de la microrred ..................................................... 15
2.2. Potencia demandada y módulo de demanda escalado ...................................... 16
2.2.1 Dimensionamiento de demanda eléctrica a valores escalados ......................... 16
2.2.2 Curva de demanda eléctrica de la microrred a valores escalados ..................... 18
2.2.3 Modulo de Carga ........................................................................................... 19
2.3. Fuente de generación alternativa ..................................................................... 21
2.3.1 Curvas de Irradiancia ...................................................................................... 21
vi
2.3.2 Generador Fotovoltaico ................................................................................. 22
2.4. Sistema de acumulación de energía ..................................................................... 24
2.5. Vehículo Electico ................................................................................................. 27
2.6. Conclusiones del capitulo .................................................................................... 29
3. DISPOSITIVOS DE CONVERSIÓN DEL EMULADOR ..................................................... 31
3.1. Regulador de carga .............................................................................................. 31
3.1.1 Diseño convertidor SEPIC ............................................................................... 32
3.1.2 Algoritmo MPPT de perturbación y observación P&O ................................ 35
3.2. Convertidor Boost SFV ......................................................................................... 40
3.2.1 Diseño convertidor BOOST ............................................................................. 40
3.2.2 Control convertidor Boost sistema FV ............................................................. 41
3.3. Convertidor Boost para VE modo V2MG ............................................................ 43
3.3.1 Control del convertidor Boost para VE modo V2MG ........................................ 44
3.4. Cargador Vehículo Eléctrico ................................................................................. 47
3.5. Conclusiones del capitulo .................................................................................... 47
4. SISTEMA DE GESTIÓN ENERGÉTICA DEL EMULADOR ................................................ 49
4.1 Algoritmo de gestión energética propuesto ...................................................... 49
4.2 Interface del emulador .................................................................................... 51
4.2.1 Adquisición de datos ...................................................................................... 51
4.2.2 LabVIEW ........................................................................................................ 52
4.3 Conclusiones del capítulo ................................................................................. 54
5 DISPOSICIÓN FINAL DEL EMULADOR ....................................................................... 55
5.1 Plano General del sistema ................................................................................ 55
5.2 Componentes del emulador de la microrred residencial ................................... 55
5.3 Simulación microrred residencial sin sistema de gestión ................................... 58
5.4 Simulación microrred con sistema de gestión de energía .................................. 60
5.5 Conclusiones del capitulo ................................................................................. 61
6 PRUEBAS OPERATIVAS DEL EMULADOR .................................................................. 63
6.1 Pruebas individuales de los elementos del emulador ........................................ 63
6.1.1 Convertidor SEPIC regulador de carga ............................................................. 63
vii
6.1.2 Convertidor Boost Sistema FV ........................................................................ 63
6.1.3 Convertidor Boost VE ..................................................................................... 64
6.2 Prueba funcional del emulador sin gestión ....................................................... 64
6.2.1 Caso 1: Irradiancia 24 de Noviembre ........................................................ 66
6.2.2 Caso 2: Irradiancia 29 de Noviembre ......................................................... 67
6.2.3 Caso 3: Irradiancia 15 de Junio .................................................................. 68
6.3 Prueba funcional del emulador con gestión ...................................................... 71
6.3.1 Caso 1: Irradiancia 24 de Noviembre ......................................................... 71
6.3.2 Caso 2: Irradiancia 29 de Noviembre ......................................................... 73
6.3.3 Caso 3: Irradiancia 15 de Junio .................................................................. 74
6.4 Interface del usuario ........................................................................................ 76
6.5 Conclusiones del capítulo ................................................................................. 79
Conclusiones Finales ...................................................................................................... 81
Trabajos Futuros ........................................................................................................... 82
Referencias ................................................................................................................... 83
ANEXOS ........................................................................................................................ 89
Anexo 1 Encuesta ....................................................................................................... 89
Anexo 2 especificaciones técnicas del inversor............................................................ 91
Anexo 3 especificaciones técnicas modulo solar.......................................................... 92
Anexo 4 especificaciones técnicas Mosfet ................................................................... 94
Anexo 5 especificaciones fuente Agilent ..................................................................... 95
Anexo 6 Modelo SEPIC controlado .............................................................................. 96
Anexo 7 Control convertidor SEPIC ............................................................................. 97
Anexo 8 Control Convertidor Boost SFV ...................................................................... 99
Anexo 9 Control Convertidor Boost VE ...................................................................... 101
Anexo 10 Código Sistema de Gestión ........................................................................ 103
Anexo 11 Esquema Conexión Control Tensión Boost Sistema FV ............................... 119
viii
Lista de figuras Figura 1 Esquema de una microrred [27].______________________________________________________ 8 Figura 2 Modo de operación de una microrred [28] ______________________________________________ 9 Figura 3 Gestión de energía en el hogar [40]. _________________________________________________ 13 Figura 4 Configuración de la microrred ______________________________________________________ 15 Figura 5 Potencia demandada en cada hora del día ____________________________________________ 18 Figura 6 Circuito de control de cargas residenciales. Azul etapa de control y disparo. Naranja etapa de potencia
______________________________________________________________________________________ 20 Figura 7 Circuito de control de cargas habilitado _______________________________________________ 21 Figura 8 Curvas de Irradiancia _____________________________________________________________ 22 Figura 9 Modelo físico de modulo solar PSIM __________________________________________________ 24 Figura 10 Irradiancia (azul)-Potencia generada (rojo) ___________________________________________ 24 Figura 11 Grafica de carga de la Batería (a). Grafica de descarga de la Batería (b). ____________________ 26 Figura 12 Características de la recarga de VE`s [44]. ____________________________________________ 27 Figura 13 Modelo de Batería 12VDC, 7AH software PSIM ________________________________________ 28 Figura 14 Características recarga batería a emular el VE. (a) Tensión, (b) Corriente. ___________________ 28 Figura 15 Topología Convertidor SEPIC_______________________________________________________ 32 Figura 16 Convertidor SEPIC PSIM __________________________________________________________ 33 Figura 17 Tensión de salida ante variaciones en la tensión de entrada ______________________________ 34 Figura 18 (a) Corrientes IL1 e IL2. (b). Corriente Mosfet con RLOAD de 15Ω __________________________ 34 Figura 19 (a) Corrientes IL1 e IL2. (b) Corriente Mosfet con RLOAD de 0,96Ω _________________________ 35 Figura 20 Curva característica de panel FV. Anexo 4 ____________________________________________ 36 Figura 21 Diagrama de flujo algoritmo P&O. __________________________________________________ 37 Figura 22 Potencia Disponible en el panel (Rojo). Potencia Extraida del panel V*I (Azul) ________________ 38 Figura 23 Algoritmo P&O modificado ________________________________________________________ 39 Figura 24 Curvas de potencia. Potencia disponible en el panel (Rojo). Potencia extraída del panel V*I (Azul).
Tensión en la carga (Fucsia) _______________________________________________________________ 40 Figura 25 Topología Convertidor Boost Sistema FV _____________________________________________ 40 Figura 26 Diagrama de Flujo Control Boost SFV ________________________________________________ 42 Figura 27 Potencia de salida, tensión de salida y entrada convertidor Boost sistema FV. _______________ 43 Figura 28 Topología Convertidor Boost. ______________________________________________________ 43 Figura 29 Diagrama de flujo control Convertidor Boost VE. _______________________________________ 45 Figura 30 Circuito de Activación VE como generador ____________________________________________ 46 Figura 31 Tensión de salida y potencia convertidor Boost VE carga fija. _____________________________ 46 Figura 32 Tensión de salida y potencia del convertidor Boost VE ante variaciones de carga. _____________ 46 Figura 33 Cargador VE ___________________________________________________________________ 47 Figura 34 Diagrama de flujo Sistema de Gestión _______________________________________________ 50 Figura 35 Esquema Conexión PIC 18f2550 ____________________________________________________ 52 Figura 36 Programación Grafica Labview _____________________________________________________ 53 Figura 37 Panel Frontal de Visualización de datos ______________________________________________ 53 Figura 38 Plano General microrred __________________________________________________________ 55 Figura 39 Panel Frontal modulo emulador de la microrred _______________________________________ 56 Figura 40 Nivel Superior Modulo de la microrred _______________________________________________ 57 Figura 41 Panel Frontal Modulo de Carga ____________________________________________________ 57 Figura 42 Panel Superior Modulo de Carga ___________________________________________________ 58 Figura 43 Esquema simulado de la microrred sin sistema de gestión _______________________________ 59 Figura 44 Perfil de demanda bajo condiciones ideales de suministro _______________________________ 59
ix
Figura 45 Potencia suministrada por la microrred (a). Tensión Batería SFV y Barraje DC (b) _____________ 60 Figura 46 Esquema simulado de la microrred con sistema de gestión _______________________________ 60 Figura 47 Potencia Suministrada Por el SFV y el VE (a). Tensión batería SFV, VE y Barraje DC (b). _________ 61 Figura 48 Perfil de potencia demandada propuesto. ____________________________________________ 65 Figura 49 Potencia disponible en el panel FV __________________________________________________ 65 Figura 50 Comparación sistema estimado y sistema practico. ____________________________________ 66 Figura 51 Tensión barrajes 12 y 24 V. ________________________________________________________ 67 Figura 52 Comparación sistema estimado y sistema practico. ____________________________________ 67 Figura 53 Tensión barrajes 12 y 24 V. ________________________________________________________ 68 Figura 54 Comparación sistema estimado y sistema practico _____________________________________ 69 Figura 55 Tensión barrajes 12 y 24 V. ________________________________________________________ 69 Figura 56 Potencia desarrollada por dispositivo. Caso 1 _________________________________________ 70 Figura 57 Potencia desarrollada por dispositivo. Caso 2 _________________________________________ 70 Figura 58 Potencia desarrollada por dispositivo. Caso 3 _________________________________________ 71 Figura 59 Potencia deslastrada y nivel de tensión barraje 12V. ____________________________________ 72 Figura 60 Potencia desarrollada por dispositivo. _______________________________________________ 73 Figura 61 Potencia deslastrada y nivel de tensión barrajes de 12 y 24 V _____________________________ 73 Figura 62 Potencia desarrollada por dispositivo. _______________________________________________ 74 Figura 63 Perfiles de potencia y nivel de tensión barraje de 12V ___________________________________ 75 Figura 64 Potencia desarrollada por dispositivo. _______________________________________________ 75 Figura 65 Presentación de variables horas de la noche __________________________________________ 76 Figura 66 Inclusión VE como fuente de respaldo _______________________________________________ 77 Figura 67 Presentación variables horas del medio día ___________________________________________ 78 Figura 68 Presentación VE actuando como carga ______________________________________________ 78 Figura 69 Inversor REF 11K300I05 __________________________________________________________ 91
Lista de tablas Tabla 1 Clasificación de microrredes [27] _____________________________________________________ 10 Tabla 2 Tipos de Vehículos Eléctricos [30]. ____________________________________________________ 11 Tabla 3 Característica recarga tipo residencial. ________________________________________________ 12 Tabla 4 Potencia Electrodomésticos Reales y Escalados _________________________________________ 17 Tabla 5 Consumo de energía en valor escalado ________________________________________________ 19 Tabla 6 Datos característicos panel SW 150 mono R6 ___________________________________________ 23 Tabla 7 Configuración banco de baterías _____________________________________________________ 26 Tabla 8 Comparación de convertidores. [43] __________________________________________________ 31 Tabla 9 Elementos convertidor SEPIC ________________________________________________________ 33 Tabla 10 Elementos Convertidor Boost Sistema FV [46] __________________________________________ 41 Tabla 11 Valores Calculados Convertidor Boost VE _____________________________________________ 44 Tabla 12 Características Cargador VE ________________________________________________________ 47 Tabla 13. Asignación de prioridades para las cargas de la vivienda ________________________________ 49 Tabla 14 Eficiencia-Convertidor SEPIC. _______________________________________________________ 63 Tabla 15 Eficiencia-Convertidor Boost SFV ____________________________________________________ 64 Tabla 16 Eficiencia Convertidor Boost VE _____________________________________________________ 64
x
Índice de Abreviaturas MG Micro Grids. MR Microrred. V2G Conexión vehículo a la red. V2H Conexión vehículo al hogar. V2MG Vehículo a la Microrred. PAC Punto de acople común. GAD Gestión activa de la demanda. HEMS Sistema de gestión de energía en el hogar. CIGRE Consejo Internacional sobre Grandes Sistemas Eléctricos. PROURE Programa De Uso Racional Y Eficiente De Energía Y Fuentes No
Convencionales. FENOGE Fondo de Energías No Convencionales y Gestión Eficiente de la Energía IEA Agencia Internacional de la Energía. CREG La Comisión de Regulación de Energía y Gas. SGE Sistema de Gestión de Energía. IDEAM Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales. SDL Sistema de distribución local. SFV Sistemas fotovoltaicos. EV Electric Vehicle. VE Vehículo Eléctrico. HEV Vehículos eléctricos híbridos (HEV). PHEV Vehículos Híbridos enchufables. MPPT Maximum Power Point tracking. AC Corriente Alterna. DC Corriente Directa. IEC Comisión de Electrotecnia Internacional. RMPP Resistencia en el máximo punto de potencia. NTC Norma Técnica Colombiana. GD Generación Distribuida. PSIM Power Simulation. CNS Capacidad Nominal del Sistema. PFV Paneles Fotovoltaicos. ETDC Energía Total en DC.
xi
RESUMEN El presente proyecto de grado expone el diseño, construcción y funcionamiento del
prototipo de un emulador de una microrred (MR) eléctrica aislada. Para ello se realizó el
diseño escalado de una aplicación real que incluye un sistema fotovoltaico aislado, la
tecnología del vehículo eléctrico (VE) ejerciendo como carga o como elemento generador
(V2G), además se determinaron diferentes perfiles tanto de irradiancia como de carga con
el fin de emular las condiciones de generación y las características de una microrred aislada.
Además, se desarrolló un algoritmo de gestión energética. Asimismo se llevó a cabo la
construcción de un módulo de carga capaz de reflejar el comportamiento de consumo de
una vivienda residencial con valores escalados, permitiendo observar la activación o
desactivación, manual o automática, de cada una de las cargas.
Palabras clave: Vehículo Eléctrico, tecnología V2G, microrred, gestión energética, deslastre
de carga, algoritmo de gestión, irradiancia, perfil de carga.
ABSTRACT This project presents the design, construction and operation of a prototype of isolated
micro grid (MG) emulator. For this, a scaled design of a real application photovoltaic system,
including electric vehicle (EV) technology as load or as a generator (V2G) was performed, in
addition, to emulate the behavior of an isolated photovoltaic application, different profiles
of both irradiance and load were determined. Also an energy management algorithm was
proposed. Finally, a scaled load module capable of reproduce the demand behavior of a
home was implemented, allowing to observe the activation or deactivation, manually or
automatically, of each load included in the module.
Keywords: Electric Vehicle, V2G Technology, Micro grid, Energy Management, Load
Shedding, Management Algorithm, Irradiance, Load Profile.
1
INTRODUCCIÓN En el transcurso de los últimos años se ha evidenciado una necesidad mayor de migrar
hacia las fuentes de generación con energías renovables, ya que la extracción y
explotación de combustibles fósiles para la industria en general y la generación de
energía eléctrica, se han dado de manera desmesurada, trayendo consigo problemas de
tipo ambiental, económico y social [1]. Algunos países como Suiza, Dinamarca, Suecia,
Canadá, Alemania entre otros, han liderado este cambio y han extendido el llamado a
un gran número de naciones, para crear estrategias que fomenten la investigación y el
desarrollo de nuevas fuentes de energías renovables, que puedan suplir a las
tradicionales, reduciendo el impacto al medio ambiente y beneficiando a la población
en general [2]. En Colombia, se han venido adoptando una serie de planes que buscan
estimular el uso de las energías renovables, encabezados por el Ministerio de Minas y
Energía mediante el Programa De Uso Racional Y Eficiente De Energía Y Fuentes No
Convencionales (PROURE) [3], donde se incluyen este tipo de ideales en su plan de
acción de 2015 al 2020. Adicionalmente, fue sancionada la ley 1715 de 2014 [4], la cual
establece el marco legal y los instrumentos para la promoción e integración de las
energías renovables no convencionales al sistema energético Nacional. Con esta ley se
incentiva el uso de energías renovables, se fomenta la inversión, la investigación y el
desarrollo de tecnologías limpias realizando la inclusión de los sectores públicos y
privados, además de la creación del Fondo de Energías No Convencionales y Gestión
Eficiente de la Energía (FENOGE), el cual tiene como objetivo financiar los programas de
eficiencia energética [5].
En Colombia, el 72,1 % de la capacidad instalada corresponde a generación
hidroeléctrica. Esta dependencia podría llegar a causar graves inconvenientes a futuro,
debido a los efectos que lleva consigo el calentamiento global de los cuales Colombia no
está exenta. Uno de los fenómenos que mayor impacto tiene en el país es conocido
como ‘’El Niño’’, el cual puede hacer que se presenten temporadas secas cada vez más
intensas, disminuyendo el caudal de los ríos y la acumulación hídrica en los embalses a
niveles críticos, los cuales podrían comprometer el suministro del vital líquido así como
el de energía en el país. En el primer trimestre del 2014 el Instituto de Hidrología,
Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), anunció que en el país existía una
probabilidad cercana al 83 % de que se presentara el fenómeno del niño en el último
trimestre del año 2014 y el primer trimestre de 2015, sin embargo, el primer trimestre
del 2016 los embalses y represas presentaron valores críticos en los niveles de
acumulación de agua, lo cual llevo a promover estrategias de ahorro forzado de energía
[6] , con el fin de preservar el recurso hídrico en tanto las condiciones climatológicas no
mejoraran y así reducir el riesgo de racionamiento de energía eléctrica. Por esta razón,
se deben adoptar nuevas tecnologías de generación que proporcionen una alternativa
ante la dependencia de las fuentes tradicionales (especialmente hídricas para el caso de
Colombia). Las fuentes de energías renovables como la solar (térmica y fotovoltaica),
eólica, geotérmica e incluso la biomasa son tecnologías que han venido evolucionando
2
alrededor del mundo y mediante las cuales se pretende suplir y complementar las
necesidades energéticas.
Una de las aplicaciones de estas nuevas tecnologías son los “sistemas de energía
eléctrica local” mejor conocidos como microrredes (MRs), que se han convertido en una
opción para reducir la dependencia entre los centros de consumo y los sistemas
eléctricos centralizados que usan como materia prima combustibles fósiles y fuentes
hídricas, para los cuales habitualmente la generación se encuentra apartada de los
centros de demanda, trayendo consigo perdidas de energía (longitud de las líneas)
traducidas en pérdidas económicas [7]. Las MRs plantean la utilización de fuentes de
generación distribuida cerca a los usuarios finales mediante sistemas fotovoltaicos
(SFV), eólicos, la cogeneración con micro turbinas de gas e incluso se han integrado los
vehículos eléctricos (VEs), lo que trae un aumento en la eficiencia del sistema, además
de la calidad y la confiabilidad de la energía [8]. Con una mayor penetración, las MRs
pueden reducir la necesidad de expandir los sistemas eléctricos usuales, convirtiéndose
en una solución económicamente viable, en especial para las viviendas o edificaciones
ubicadas en las zonas no interconectadas [9].
Los SFV han logrado una gran evolución debido al desarrollo e investigación de las
tecnologías que lo conforman; en los paneles fotovoltaicos se ha logrado un aumento
en la eficiencia de conversión de la energía solar a eléctrica y la reducción de las
pérdidas, gracias al avance en paneles de celdas monocristalinas, obteniendo así
mayores eficiencias [10]. Sistemas de regulación mediante algoritmos de seguimiento
del punto de máxima potencia (MPPT), inversores con capacidad de suplir altos valores
de potencia, baterías con mayores capacidades de almacenamiento y autonomía, son
algunos de los aspectos en los que la tecnología fotovoltaica ha tenido importantes
avances y que han permitido la implementación de estos sistemas en conjunto con los
esquemas energéticos tradicionales (sistemas interconectados a la red) y también
independientes de la misma (sistemas aislados) [11].
Pese a lo anterior, aún existen inconvenientes para el fomento de este tipo de
tecnologías, debido a los altos costos de instalación y a que en determinadas zonas
geográficas la obtención de la fuente primaria de energía (radiación solar) necesaria
para la operación del sistema no es la adecuada, razones por las que se dificulta su
aplicación. Colombia cuenta con un alto potencial para el aprovechamiento de este tipo
de tecnologías gracias a su ubicación geográfica. Sin embargo, aunque está contemplada
dentro de los planes de expansión de la UPME [12] y se presentan bases e incentivos
para el fomento de este tipo de generación [5] en la ley 1715 de 2014, se espera un
fortalecimiento en las regulaciones emitidas por la CREG que permita un mayor
crecimiento de estas tecnologías en el país [13].
Como ya se mencionó, las MRs pueden integrarse con los VEs. De acuerdo con el
desarrollo de este tipo de tecnología, es posible encontrar vehículos eléctricos híbridos
(HEV) e híbridos enchufables (PHEV). La utilización de los vehículos eléctricos busca el
cambio paulatino de los medios de transporte tradicionales, que utilizan derivados del
petróleo (gasolina, ACPM) como combustible, siendo actualmente el sector transporte
3
uno de los que mayores emisiones de CO2 libera a la atmosfera, contribuyendo al
calentamiento global y perjudicando a la población por las enfermedades de tipo
respiratorio que se generan por la emisión de estos gases [14].
No obstante, la inclusión masiva VEs al sistema eléctrico centralizado traería consigo
importantes impactos tanto económicos como técnicos sobre la red, esto debido al
cambio drástico en los perfiles de la curva de demanda de energía eléctrica en el sistema
de potencia al momento de realizar una recarga masiva de VEs [15], [16], [17]. Por tal
motivo, sería necesario realizar una ampliación en la capacidad de las redes, además del
desarrollo de un sistema de gestión que se encargue de controlar el momento y los
tiempos más convenientes en los que el vehículo eléctrico se pueda conectar a la red,
para reducir efectos como la caída en el nivel de tensión y la cargabilidad de la red
durante la recarga [18]. Para los casos en los que no es una opción adoptar una de estas
medidas a corto plazo, por razones técnicas o económicas, los usuarios pueden integrar
estas tecnologías con sistemas aislados de la red en un flujo bidireccional de energía,
aplicación que se define en la presente investigación como Vehicle To Grid (V2G) [19].
La tecnología V2G permite integrar los vehículos eléctricos con la red de energía,
tomando energía de la red para almacenarla en las baterías del VE preferiblemente en
las horas valle donde la energía es más económica para el usuario, o entregar la energía
almacenada en las baterías del VE en las horas pico donde la energía es más costosa
[20]. Esta operación puede suavizar la curva de carga, mejorar la fiabilidad del sistema
de energía y ofrecer ingresos adicionales a los propietarios de los VEs [21].
Teniendo en cuenta lo anterior, la implementación de sistemas de generación de
energía eléctrica a partir de fuentes renovables, son soluciones económicas y técnicas
para el autoabastecimiento energético. Sin embargo, deben adoptarse procedimientos
de gestión con el fin de evitar el uso de una mayor cantidad de elementos o un
sobredimensionamiento de los mismos en la microrred, que visto desde otra
perspectiva podría traducirse en inversiones económicas innecesarias.
De allí surge la idea de realizar una microrred con demanda tipo residencial que cuente
con generación fotovoltaica, que permita la conexión de un vehículo eléctrico (VE) y que
trabaje con un sistema de gestión de energía. Sin embargo, la construcción real de un
prototipo con las características anteriores es demasiado costosa por lo cual se propone
Implementar un emulador de una microrred residencial aislada que interactúe con un
sistema de gestión de energía, en la cual se diseñaran y acondicionaran los dispositivos
necesarios que permitan evaluar una metodología de gestión a partir de condiciones
reales.
4
Objetivos
General
Implementar un emulador de una microrred residencial aislada que interactúe con un
sistema de gestión de energía.
Específicos
Diseñar una microrred residencial aislada que involucre un modelo de
generación fotovoltaica, un vehículo eléctrico y una carga típica de un usuario
residencial.
Implementar los convertidores y equipos que permitan el desarrollo del
emulador a escala de la microrred.
Desarrollar una metodología que permita gestionar y controlar el emulador de
la microrred bajo diferentes condiciones de operación.
Evaluar el comportamiento del emulador y el sistema de gestión energética a
partir de condiciones preestablecidas de operación.
Organización del documento
El presente documento contiene el desarrollo de la metodología de diseño,
construcción, funcionamiento y operación del emulador de la microrred residencial
aislada que incluye un sistema de gestión a la demanda, enfocado en cinco capítulos
principales además de los trabajos futuros y los anexos correspondientes.
En la introducción se expone la necesidad de la inclusión de las microrredes a las
aplicaciones energéticas actuales, además de sus beneficios y sus incentivos
gubernamentales aplicados actualmente en Colombia, asimismo se presenta el termino
V2G como elemento de aporte de potencia en una MR. El capítulo 1 presenta el marco
referencial del presente proyecto, integrando términos como la generación distribuida,
microrredes eléctricas, vehículo eléctrico y por último la gestión de la demanda de la
energía eléctrica.
El capítulo 2 expone todo lo concerniente al diseño del prototipo, se presentan las
diferentes topologías que podrían usarse en una aplicación fotovoltaica y los criterios
de diseño para la misma de acuerdo al dimensionamiento y las limitantes del proyecto.
Se presenta la metodología para la clasificación de cargas residenciales, curvas de
generación fotovoltaica de acuerdo a los perfiles de generación y demanda establecidos
en el presente documento. Entre tanto se realiza la presentación de los diferentes
convertidores de potencia aplicables al emulador y el dimensionamiento de los sistemas
de acumulación además del vehículo eléctrico actuando como elemento aportante de
energía dentro de una microrred eléctrica.
El capítulo 3 muestra la elección, funcionamiento, diseño, construcción, metodologías
de control y simulaciones de los convertidores DC-DC de los equipos utilizados en el
prototipo.
5
En el capítulo 4 se encuentran expuestos los tipos de gestión energética y se presenta el
algoritmo de gestión de la demanda propuesto para ser usado en el emulador de la red
residencial. Además, se muestra la interface que contempla el emulador realizada
mediante el programa LABVIEW.
El capítulo 5 presenta la disposición final del emulador, su implementación física, los
elementos que lo componen y las simulaciones correspondientes del emulador con y sin
sistema de gestión energética.
El capítulo 6 expone las pruebas individuales de cada uno de los dispositivos que
integran el emulador en relación a los niveles de tensión, intensidad de corriente
eléctrica y eficiencias. Además, se realizan las pruebas funcionales de prototipo con y
sin gestión y su respectiva visualización en la interface del usuario.
Finalmente, este documento presenta en su último capítulo las conclusiones y los
aspectos más relevantes en cuanto al diseño y construcción del emulador de la
microrred residencial. Así mismo, se presentan una serie de recomendaciones para
trabajos futuros y los anexos correspondientes a dispositivos usados, curvas
características de los diferentes equipos utilizados, fichas técnicas, entre otros
documentos concernientes al diseño y construcción del proyecto.
6
7
MARCO REFERENCIAL Este capítulo describe los temas generales en torno a la generación distribuida, las
microrredes eléctricas, el vehículo eléctrico y la gestión de la demanda para que sean un
punto de partida para las diferentes temáticas que se trabajaran a lo largo de la
investigación.
1.1. Generación distribuida
La Agencia Internacional de la Energía (IEA), define la Generación Distribuida (GD) como
la producción de energía en las instalaciones de los consumidores o en las instalaciones
de la empresa distribuidora, suministrando energía directamente a la red de
distribución, en baja tensión [22].En Colombia según la ley 1715 de 2014, la GD se define
como la producción de energía eléctrica, cerca de los centros de consumo, conectada a
un sistema de distribución local (SDL).
La generación de energía puede darse a partir de fuentes convencionales como son
motores diésel, turbinas y micro turbinas de gas, o con fuentes no convencionales como
paneles fotovoltaicos, celdas de combustible, turbinas eólicas, biomasa e incluso la
energía geotérmica. Dentro de las ventajas de la GD, se tiene que pueden cubrir la
demanda de energía de los usuarios que se encuentran alejados de los centros de
generación o que se encuentran en las zonas no interconectadas del país, evitando una
gran inversión en infraestructura y la transmisión de energía a largas distancias,
obteniendo una reducción en las perdidas de potencia y económicas [23]. La GD mejora
la confiabilidad del sistema, garantizando el suministro de energía a usuarios prioritarios
[24]. La GD con recursos renovables puede reducir las emisiones de CO2 protegiendo el
medio ambiente [25]. Sin embargo, la penetración de la generación distribuida en el
sistema actual requiere de medidas de tipo económico y técnico, como el ajuste de los
sistemas de protección, exigencia en la calidad de energía que se suministra a partir de
GD y acondicionamientos de la red de distribución [26].
1.2. Microrredes Eléctricas
Una Microrred es un sistema eléctrico que integra fuentes de energía convencional y no
convencional en menor escala que los sistemas tradicionales, también opera con
sistemas de acumulación de energía y cargas con una capacidad de regulación propia
para dar suministro a centros de demanda que se encuentran cercanos a la generación
tal como se muestra en la Figura 1 [27].
8
Figura 1 Esquema de una microrred [27].
1.2.1. Modo de Operación de una microrred
Una microrred puede operar, de manera aislada o interconectada a la red eléctrica a
través de un punto de acople común (PAC). En la Figura 2 se presentan los modos de
operación posible y la manera de pasar de un modo a otro. Mientras la microrred se
encuentre conectada a la red esta puede pasar a operar en modo isla por medio del
control de desconexión desde la red, o pasar a condición de apagado mediante el control
de apagado. Cuando la microrred opera en modo isla, puede conectarse a la red gracias
al control de conexión a red y dar orden de apagado a través del control de apagado. En
modo apagado puede ingresar a operar en cualquiera de las dos condiciones, modo isla
o interconectado por medio del control de desconexión desde la red o el control de
conexión a red respectivamente [28].
9
Figura 2 Modo de operación de una microrred [28]
1.2.2. Clasificación de las microrredes
Las microrredes pueden clasificarse en tres grupos principales: en función de la
demanda eléctrica que tengan asociada, de acuerdo a su capacidad como sistemas de
respaldo y por la naturaleza de la energía que puedan suministrar, ya sea esta en
corriente alterna, directa o una combinación de las mismas. En la Tabla 1 se expone un
resumen de las diferentes clasificaciones que se le pueden dar a una microrred y algunas
de sus principales características.
CLASIFICACIÓN DE LAS MICRORREDES
En función de la
demanda
Microrred simple Contiene solo una fuente de generación distribuida, de operación y diseño simple
Microrred de múltiple
generación distribuida
Compuesta por múltiples microrredes simples o múltiples fuentes de generación.
Microrred según utilidad
Las cargas se priorizan en función de los requerimientos del usuario para mantener suministro en caso de emergencia
Por su capacidad
Microrred simple Capacidad menor a 2 MW
Microrred corporativa
Capacidad entre 2 - 5 MW
Microrred de área de alimentación
Capacidad entre 5 - 20 MW, cargas industriales y comerciales
Microrred de área de subestación
Capacidad mayor a 20 MW
Microrred independiente
Destinadas para zonas remotas fuera de la red (islas, montañas, pueblos)
10
Por su tipo de tensión
AC/DC
Microrred DC
Las fuentes de generación y sistemas de almacenamiento de energía se conectan a un Barraje DC por medio de convertidores DC/DC, las cargas AC se alimentan del Barraje DC por medio de un inversor.
Microrred AC
Se conecta a la red de distribución mediante un Barraje AC, la conexión y desconexión de la microrred se realiza mediante el punto de acople común, generación DC Y baterías se conectan al Barraje AC mediante inversores
Microrred hibrido
Maneja un Barraje DC y un Barraje AC unido por medio de un inversor, las cargas pueden alimentarse desde cualquier barraje, puede interconectarse a la red mediante el punto de acople común.
Tabla 1 Clasificación de microrredes [27]
1.3. Vehículo Eléctrico
La característica principal del VE es el uso de electricidad en vez de combustibles fósiles;
sin embargo se debe analizar de qué forma se está generando esta electricidad. Por
ejemplo, la generación de energía eléctrica en China e India depende principalmente del
carbón y otros combustibles fósiles, por lo cual la penetración masiva de VE puede
resultar altamente contaminante. Por otro lado, usar vehículos eléctricos haría un gran
aporte al medio ambiente en países como Noruega, el cual obtiene el 99% de su energía
de fuentes hidroeléctricas.
El modo de operación V2G permite a los usuarios de esta tecnología usar de forma
flexible la energía almacenada en las baterías a parte de su uso en el desplazamiento, el
VE se conecta a la red a través de un punto de acople el cual permite tomar energía de
la batería e inyectarla a la red o realizar la recarga de la misma [29].
En este sentido, Colombia cuenta con un panorama favorable para el uso de este sistema
en el transporte, debido a que el país obtiene cerca del 72,1% de su energía de las
hidroeléctricas. Incluso, la capital del país se ha posicionado como una de las ciudades
más importantes en la inclusión de vehículos eléctricos e híbridos dentro del sistema de
transporte público. Actualmente, se realizan las evaluaciones para la inclusión de un bus,
tipo alimentador, de estas características a la flota del SITP. Además, la ciudad ya cuenta
con aproximadamente 50 taxis eléctricos y 4 electrolineras para su recarga [30].
1.3.1. Tipos de Vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos son dispositivos que se impulsan por medio de un motor
eléctrico que extrae energía de una batería recargable. Su utilización presenta ventajas
desde el punto de vista medioambiental, ya que permite disminuir el nivel de emisiones
de CO2 a la atmosfera [30]. Para mejorar la eficiencia del vehículo se ha llegado a
combinar cualidades tanto de los VE como de los vehículos de combustión interna y al
11
resultado de estas combinaciones se les han denominado vehículos de propulsión
eléctrica. En esta sección se presentan 3 tipos de vehículos eléctricos y sus principales
características [31].
Tipos de Vehículos Eléctricos
Característica
Vehículos Eléctricos Híbridos (VEH)
Son accionados por un motor de combustión interna, y un motor eléctrico que utiliza la energía almacenada en una
batería. No requieren un enchufe para cargar la batería dado que la recarga es a través del motor de combustión interna y
el freno regenerativo. Vehículos Eléctricos
Híbridos Enchufables (VEHE)
Cuenta con dos motores, uno alimentado por combustibles fósiles y otro por energía eléctrica almacenada en la batería. Utiliza la
electricidad de la red para cargar la batería
Vehículos Completamente Eléctricos (VE)
Los vehículos almacenan la energía en baterías que alimentan el motor. Las baterías se cargan conectando el vehículo a una fuente de energía eléctrica. Otro aspecto que hace atractivo al EV es la posibilidad de entregar energía a la red eléctrica
local o a una red independiente Tabla 2 Tipos de Vehículos Eléctricos [31].
Uno de los países que proyecta de mejor manera el uso del VE es Japón ya que como
consecuencia al terremoto sucedido en marzo de 2011 ,muchos de sus ciudadanos se
han preocupado por la escasez de energía que se pueda volver a presentar. Por dicho
motivo se ha comenzado a propagar el uso de energía fotovoltaica, a su vez muchas
empresas del sector eléctrico hablan de incentivos económicos que se pueden generar
por la compra de energía a estos pequeños generadores. Como resultado de lo anterior
muchos fabricantes de viviendas han introducido en las construcciones de sus casas los
sistemas HEMS (Home Energy Management System). Gracias a estos sistemas se puede
gestionar la electricidad que produce los paneles y la que se encuentra en su sistema de
almacenamiento. Por otro, lado también se busca almacenar la mayor cantidad de
energía para poder vendérsela a las compañías eléctricas y por ello se ha incentivado el
uso del VE para que desempeñe no solo funciones de transporte sino que también sirva
como sistema de almacenamiento de energía en caso de emergencias, el cual también
va a ser gestionado gracias al HEMS [32].
1.3.2. Niveles de Carga del Vehículo Eléctrico
Los niveles de carga son los encargados de identificar la potencia, corriente, tensión y
frecuencia que aseguran la carga correcta de la batería del VE. Los cargadores o equipos
de alimentación sirven como interfaz entre a red eléctrica y la batería. Su propósito es
establecer la comunicación de la red con el vehículo y permitir la transferencia de
energía mientras proporciona una conexión a tierra adecuada, incluyendo protección
contra descargas, contra sobrecargas y seguridad en general [33].
12
Existen varias normas internacionales que describen los niveles de carga. En Europa se
encuentra la norma IEC 61851-1 que maneja cuatros modos de carga [34], en
Norteamérica se encuentra las normas EPRI [35] y NEC [36] las cuales definen tres
niveles de carga y un D.C. de carga rápida. En Colombia la norma NTC 2050 se basa en
la normativa norteamericana debido a la similitud que existe con el sistema eléctrico
colombiano.
Una de las propiedades que maneja el VE es su posibilidad de suministrar energía a la
red (V2G). En la mayoría de los casos esta energía cambia según las especificaciones con
las cuales cuente el VE. A continuación se presentan 3 parámetros que permiten
determinar cuanta potencia puede suministrar un VE a la red [37].
La capacidad de conducción de corriente de los alambres y otros circuitos que
conectan al VE a la red.
La energía almacenada en la batería del VE, dividida por la cantidad de tiempo
en la cual se va a utilizar.
la tasa de potencia máxima que permite la electrónica de potencia del VE.
Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente y cuando se trata de una red de
energía doméstica se toma como referencia el tipo de recarga residencial lenta cuyas
características se muestran en la Tabla 3, de acuerdo a lo establecido por la
normatividad NEC.
Tipo de Recarga
Tipo de Corriente
Corriente Tensión Potencia
Residencial AC 12-16 A 120 V (monofásica)
1.3 KW a 1.9 KW
Tabla 3 Característica recarga tipo residencial.
1.4. Sistema de gestión de energía
Un sistema de gestión de energía (SGE) es un sistema automatizado basado en
ordenador (algoritmos) mediante la obtención y monitoreo de diferentes variables
dentro de una red de energía eléctrica, con las cuales se pueden tomar decisiones para
la operación eficiente de dicha red soportada en las tecnologías de la información y
comunicaciones. Los SGE son estructuras fundamentales en el desarrollo de las
microrredes ya que proporciona la gestión de los datos, seguimiento y control del centro
de despacho de una microrred, convirtiéndose en una garantía para un funcionamiento
estable y eficiente de la misma [38].
1.4.1. Gestión de energía en el hogar (HEMS)
Se define como el sistema adecuado para proporcionar servicios de gestión de energía
con el fin de supervisar y gestionar de manera eficiente el suministro, almacenamiento
y consumo de energía en el hogar. A partir de los sistemas de comunicación y medida es
posible recopilar la información de los diferentes elementos que interactúan en una
13
vivienda como lo son disponibilidad de fuentes de generación, consumo de los
diferentes electrodomésticos y llevar estos datos a un ordenador para que el sistema de
gestión realice acciones determinadas sobre dicha red doméstica [39]. En la Figura 3 se
muestra la estructura general de una vivienda residencial con un sistema de gestión de
energía (HEMS).
Figura 3 Gestión de energía en el hogar [40].
1.4.2. Gestión de la demanda
Investigaciones actuales se encuentran trabajando con el fin de encontrar soluciones
para el problema energético que se viene evidenciando en los últimos años. Muchas de
las soluciones que se vienen presentando han surgido a partir de la demanda; dado que
el costo y el impacto energético varia con respecto a su consumo en el tiempo, realizar
un consumo apropiado de la energía ayudaría a reducir tanto el impacto ambiental
como los costos por parte del consumidor, de allí que surja la idea de una Gestión Activa
de la Demanda (GAD) [41].
Los programas de GAD varían según el objetivo que el usuario quiera (reducir los costos,
el impacto en la red, el sobredimensionamiento de equipos, etc.), también pueden
variar según el incentivo que la empresa prestadora del servicio eléctrico ofrezca
(Compensaciones, tarifas por bloques, etc.), pero en general lo que siempre se busca es
el aplanamiento de la curva de demanda reduciendo el consumo en las horas picos y
trasladando ese consumo a las horas valle [42].
14
15
2. DIMENSIONAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DEL EMULADOR
Este capítulo tiene como objetivo desarrollar la metodología de dimensionamiento para
una microrred residencial aislada aplicada al equipo emulador, basados en la elección
de una topología que permita determinar los dispositivos de conversión necesarios para
el suministro de la demanda eléctrica de un usuario residencial, además de establecer
las condiciones de operación del equipo y su alcance.
2.1. Configuración del emulador de la microrred
Dentro de los microrredes aisladas se pueden encontrar distintas topologías de diseño
y construcción. Para el desarrollo del emulador de la microrred residencial aislada se
establece una topología que cumpla con las siguientes características:
Permitir la integración de una fuente de generación alternativa como recurso
principal.
Contar con un sistema de acumulación de energía que brinde autonomía a la
microrred.
Permitir la conexión de una batería que represente un vehículo eléctrico como
fuente de respaldo o carga de la microrred.
Adecuar los niveles de tensión para la operación de los diferentes dispositivos.
Suministrar energía a un grupo de cargas en corriente alterna.
La topología que se adapta a las condiciones anteriormente descritas se expone en la
Figura 4. Esta topología opera a dos niveles de tensión DC, el establecido por el banco
de baterías de la microrred y el nivel de tensión requerido para que opere el elemento
inversor, adicionalmente dispone de un nivel de tensión AC para el suministro de la
demanda eléctrica de la microrred.
Figura 4 Configuración de la microrred
16
2.2. Potencia demandada y módulo de demanda escalado
De acuerdo a la máxima potencia de operación del inversor disponible en el LIFAE para
la realización del emulador (Anexo 2 especificaciones técnicas del inversor), la cual es
de 150 W, se establece que la potencia a demandar no superar dicho valor.
2.2.1 Dimensionamiento de demanda eléctrica a valores escalados
En el diseño de sistemas que permiten realizar el aprovechamiento de la energía solar,
es importante caracterizar la demanda energética a la cual deberá someterse la
instalación, además de los hábitos de consumo que permitan determinar la naturaleza
de las cargas a alimentar, su nivel de tensión, la cantidad de artefactos y energía
consumida a lo largo del día por cada uno de ellos.
Para determinar las cargas con las que cuenta el usuario de la microrred se realizó una
encuesta en la cual se preguntó qué artefactos o electrodomésticos deberían estar
dispuestos dentro de una vivienda de estrato medio – alto, así como el tiempo de uso
de los mismos (Anexo 1 Encuesta). Una vez obtenidos los resultados se seleccionaron
10 artefactos para conformar la capacidad instalada de la vivienda. En la Tabla 4 se
muestran las cargas correspondientes de los artefactos con valores de potencia típicos,
además de un circuito especial cuya función puede variar de acuerdo a las necesidades
del usuario. Su uso puede centrarse en suministro eléctrico para equipos médicos, de
riego, de vigilancia, comunicaciones entre otros.
La potencia de operación del emulador de la microrred residencial es de 150 W y por tal
razón esta potencia fija los valores de la demanda escalada máxima de un usuario
residencial. Por tanto la potencia total de las cargas reales más la potencia demandada
por el VE al realizar la recarga no puede superar este valor en sus valores escalados.
Como se mencionó en el apartado 1.3.2 la demanda del vehículo eléctrico se establece
a partir de una recarga tipo convencional entre 12 y 16 A, a un nivel de tensión de 120
V en corriente alterna, equivalente a una demanda de potencia de 1900 W. A
continuación se realiza el dimensionamiento para un sistema escalado el cual otorgará
la posibilidad de realizar una representación de diferentes casos a partir de una potencia
base de 150 W partiendo de la ecuación (2.2.1).
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎= 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑓𝑢𝑙𝑙 + 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝐸
(2.2.1)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 4139 𝑊 + 1900𝑊 = 6039 𝑊
Para determinar el valor escalable que permita manejar las variables de tensión,
corriente y potencia se aplica la siguiente relación:
17
150 𝑊 − − − −→ 6039 𝑊
𝑋 𝑊 − − − −→ 1 𝑊
De acuerdo a la anterior relación el valor escalado correspondiente a cada Vatio real es
determinado con la ecuación (2.2.2) :
𝑋 𝑊 = 150 𝑊 ∗ 1 𝑊
6039 𝑊= 0,02483 𝑊
(2.2.2)
En la Tabla 4 se presenta de los diferentes circuitos que puede tener una vivienda con
las características ya mencionadas donde la potencia real de cada artefacto corresponde
a un estimado de la potencia que consume cada uno de estos elementos. Se indica
también la cantidad de elementos que se usan dentro de la vivienda y la potencia total
que consumen y por último se presenta su valor de potencia escalado.
Artefacto Potencia Real unitaria
(W)
Cantidad Potencia total (W)
Potencia escalada (W)
luminaria comedor 40 2 80 1,98
Luminaria sala 40 2 80 1,98
Luminaria pasillo 35 1 35 0,86
Luminaria cocina 35 1 35 0,86
Luminaria Dormitorio P 35 2 70 1,73
Luminaria Dormitorio A 35 1 35 0,86
Luminaria Estudio 40 2 80 1,98 Luminaria Baño 40 1 40 0,99
Televisor sala 62 1 62 1,53
Televisor Principal 62 1 62 1,53
Equipo de sonido 120 1 120 2,97
Consola Videojuegos 60 1 60 1,48
Nevera 300 1 300 7,49
Lavadora 800 1 800 19,86
Computador 1 90 1 90 2,23 Computador 2 90 1 90 2,23
Microondas 700 1 700 17,38
Secador de Pelo 800 1 800 19,84
circuito especial 1 600 1 600 14,89 VE 1900 1 1900 47,17
TOTAL 6039 149,94 Tabla 4 Potencia Electrodomésticos Reales y Escalados
18
2.2.2 Curva de demanda eléctrica de la microrred a valores escalados
Con el fin de evaluar el comportamiento del prototipo escalado de la microrred
residencial se ha definido una curva TIPO de demanda que es utilizada para observar el
desempeño del sistema ante variaciones en la condiciones de irradiancia o en los niveles
de carga de los sistemas de acumulación, con el objetivo de comparar los datos ante un
sistema tradicional con un sistema que incorpore mecanismos de gestión energética.
Figura 5 Potencia demandada en cada hora del día
La curva presentada en la Figura 5 fue realizada a partir de los hábitos de consumo
propuestos por la población encuestada mediante el cuestionario de electrodomésticos
y consumo (Anexo 1 Encuesta), esta curva permite determinar los picos en la demanda
y sobre los cuales actúa el sistema de gestión energética con el fin de alargar el tiempo
de autonomía para una microrred residencial. Así mismo es importante establecer que
la anterior curva de demanda es usada como una herramienta de referencia que permite
realizar la evaluación del emulador además del sistema de gestión y que tanto el
prototipo de la microrred como el sistema de gestión están en la capacidad de
interactuar con cualquier variación que el usuario desee hacer sobre la misma.
La energía consumida por cada una de las cargas eléctricas pertenecientes a la vivienda
en valores escalados es expresada en la Tabla 5, de acuerdo a las horas en las que cada
circuito permanecerá encendido durante un día y en relación a la cantidad de elementos
que se presenten por cada circuito.
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
PO
TEN
CIA
TIEMPO H
19
Artefacto Potencia unitaria
(W) Und
Potencia total (W)
# horas uso/día
Energía (Wh/día)
luminaria comedor 0,99 2 1,986 10 19,86
Luminaria sala 0,99 2 1,986 7 13,90
Luminaria pasillo 0,87 1 0,869 13 11,30
Luminaria cocina 0,87 1 0,869 14 12,17
Luminaria Dormitorio P 0,87 2 1,738 12 20,86
Luminaria Dormitorio A 0,87 1 0,869 12 10,43
Luminaria Estudio 0,99 2 1,986 11 21,85
Luminaria Baño 0,99 1 0,993 9 8,94
Televisor sala 1,54 1 1,539 15 23,09
Televisor P 1,54 1 1,539 7 10,78
Equipo de sonido 2,98 1 2,980 10 29,80
Consola de Videojuegos 1,49 1 1,490 7 10,43
Nevera 7,45 1 7,449 6 44,69
Lavadora 19,86 1 19,864 2 39,73
Computador 1 2,23 1 2,235 12 26,82
Computador 2 2,23 1 2,235 12 26,82
Microondas 17,38 1 17,381 1 17,38
Secador de Pelo 19,86 1 19,864 0,25 4,97
circuito especial 1 14,90 1 14,898 24 357,55
VE 47,18 1 47,177 5 235,89
ENERGÍA TOTAL A SUMINISTRAR
947,24
Tabla 5 Consumo de energía en valor escalado
2.2.3 Modulo de Carga
El módulo de carga tiene como objetivo ejecutar el comportamiento de la demanda
eléctrica de la vivienda residencial a partir del encendido y apagado de cargas tipo
resistivas, de acuerdo a una señal proveniente de circuito de control. El modulo
construido para este proyecto proporciona la posibilidad de realizar el cierre y la
apertura de circuitos a partir de las señales derivadas de un microcontrolador. Por tanto
posee la propiedad de emular una curva de demanda a partir de parámetros
programados o manuales. Con el fin de realizar la emulación del comportamiento de un
sistema de generación y consumo aislado a partir de fuentes no convencionales de
energía, se ha optado por reproducir la curva de demanda energética de manera
manual, representando de tal manera una conducta tradicional en cuanto a una
instalación eléctrica convencional. Esto debido a que emular dicha curva de manera
programada conllevaría a realizar un sistema de gestión de la demanda que no tendría
en cuenta las reservas energéticas de los elementos acumuladores, realizando de tal
manera el consumo sin efectuar las lecturas de la potencia disponible en el sistema.
20
Las cargas residenciales del emulador están en la capacidad de recibir la orden de
conexión o desconexión a partir del sistema unificado de gestión de energía, que habilita
o deshabilita el uso de dichas cargas de acuerdo al procesamiento y balances
energéticos que se dispongan en determinado momento, el cual se explica con detalle
en el capítulo 4. Por lo tanto el circuito de control de las cargas residenciales dispone de
dos mandos, el mando electrónico tendrá la potestad de advertir al usuario si se dispone
de suficiente energía para que un puerto en específico pueda ser activado o no, mientras
el mando eléctrico será activado o desactivado a voluntad del usuario. Para este sistema
se propuso el esquema presentado en la Figura 6.
Figura 6 Circuito de control de cargas residenciales. Azul etapa de control y disparo. Naranja etapa de potencia
Este esquema contiene dos etapas, la primera etapa (azul) pertenece al circuito
electrónico de disparo del relé, además de ser la encargada de habilitar o no, de acuerdo
al algoritmo de gestión, las cargas eléctricas de la vivienda. Esta primera etapa está
conformada por la señal de salida del micro controlador, en este caso representada por
el pulsador. Así mismo cuenta con un led que indica al usuario si la carga asociada se
encuentra disponible o no para ser encendida. Debido a las limitaciones de los
microcontroladores usados en cuanto a la potencia para encender diferentes puertos
de forma simultánea se optó por incluir en esta etapa un circuito de disparo mediante
el uso del transistor 2n2222a que permitirá separar la etapa de disparo y control de la
red de potencia. La segunda etapa (naranja) corresponde al circuito de potencia de la
microrred residencial, la cual está sujeta al nivel de tensión de 120 V. Esta etapa es
conformada por una fuente de alimentación, en este caso el inversor, un interruptor que
a su vez cumple la función de encender artefactos de manera manual y de un relé, que
21
a partir de la señal proveniente del microcontrolador y adecuada por el dispositivo
conmutador, permite el flujo de corriente hacia el resistor.
Como se observa en la Figura 7 uno de los registros del micro controlador permite la
activación de las carga generando una señal “Aviso ON-OFF” que permite al usuario,
mediante una alarma visual, verificar si dispone o no de algún circuito específico para
ser encendido. Este esquema es replicado para cada circuito independiente con el fin de
tener un control individual de cada carga y así poder ejercer el deslastre sobre cada una
de ellas.
Figura 7 Circuito de control de cargas habilitado
2.3. Fuente de generación alternativa
El Laboratorio de Investigación de Fuentes Alternativas de Energía (LIFAE) de la
Universidad Distrital cuentan con la disponibilidad de la fuente Agilent N5748A (Anexo
5 especificaciones fuente Agilent). Esta fuente cuenta con una capacidad de 760 W,
realizando barridos de tensión entre 0 y 80 V, así mismo permite controlar los niveles de
corriente eléctrica en un rango de 0 a 9,5 A. En concordancia con esta información dicha
fuente se adapta al comportamiento de un panel fotovoltaico sobre el cual se puede
tener control en cuanto a las curvas de irradiancia a partir de la limitación de la corriente
eléctrica sin que se presenten decrementos en los niveles de tensión.
2.3.1 Curvas de Irradiancia
El principal recurso energético de la microrred residencial funcionando como sistema
aislado se determinó a partir de la generación fotovoltaica, este recurso se denota como
irradiancia y sus unidades están dadas de acuerdo a la cantidad de potencia incidente
por unidad de superficie. Con el fin de realizar una correcta evaluación tanto del
emulador como del sistema de gestión energético, se determinó que tanto las curvas de
demanda como las curvas de generación fotovoltaica debían ser discretizadas para
22
obtener resultados que permitieran ser comparados bajo características de operación
similares.
Haciendo uso de los registros obtenidos por el grupo de investigación LIFAE en el
transcurso del año 2012 se eligieron dos curvas de irradiancia. Una de ellas pertenece a
una condición favorable de recurso solar. Así mismo se seleccionó una curva que
permitirá emular una condición no favorable para los sistemas fotovoltaicos. Por último
se agregó a estas dos selecciones una última curva que contiene las condiciones
estándar e ideales de los sistemas que funcionan a partir de energía solar. En la Figura 8
se presentan las tres curvas seleccionadas de irradiancia correspondientes a los registros
proporcionados por el LIFAE, pertenecientes a los días 24 y 29 del mes de Noviembre
del año 2012 y la curva correspondiente al 15 de Junio de 2013.
Figura 8 Curvas de Irradiancia
2.3.2 Generador Fotovoltaico
Con el fin obtener un punto de referencia con respecto a una microrred eléctrica, el
dimensionamiento del emulador se realizó a partir de equipos comúnmente
encontrados en el mercado, y así obtener un modelo de microrred basado en
características de operación de equipos reales. En consecuencia se realizó la búsqueda
de un panel fotovoltaico que cumpliera con la premisa de que su corriente de corto
circuito permitiera un valor cercano a los 9,5 A y bajo condiciones nominales de trabajo,
pudiera suministrar la energía suficiente para alimentar la potencia máxima demandada
por un usuario residencial en un valor escalado y a su vez las posibles pérdidas eléctricas
que se pudieran presentar en los procesos de transformación de potencia. De tal manera
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
900,00
1000,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
IRR
AD
IAN
CIA
W/M
2
TIEMPO HORAS
Curvas de Irradiancia
24 de nov 29 de nov 22 de Jun
23
se optó por elegir el panel SW 150 mono R6A (Anexo 3), ya que el mismo cumple con
las características de corriente disponible en la fuente DC Agilent. Los datos
característicos de este panel se presentan en la Tabla 6.
RENDIMIENTO A 800 W/m², NOCT, AM 1.5
SW 150
Máxima potencia 150 Wp
Tensión de circuito abierto 22,8 V
Tensión punto de máxima potencia 18,4 V
Corriente de corto circuito 8,85 A
Corriente punto de máxima potencia 8,37 A
Tabla 6 Datos característicos panel SW 150 mono R6
De acuerdo a los niveles de tensión y de corriente otorgados por el panel fotovoltaico,
además de la curva característica de esta fuente de generación, se establece que los
valores de corriente son afectados por los niveles de irradiancia. Sin embargo los niveles
de tensión, afectados por los cambios de temperatura en la cara superior del panel
fotovoltaico, varían en menor proporción. Por tanto los cambios generados por la
irradiancia fueron emulados a partir de la magnitud de corriente eléctrica otorgada por
la fuente DC Agilent y las variaciones en temperatura fueron asumidas como nulas
fijando de tal manera el nivel de tensión de la fuente Agilent en el punto de máxima
potencia correspondiente al panel solar.
Con las curvas de Irradiancia Figura 8, el siguiente paso es determinar el
comportamiento del generador fotovoltaico ante las variaciones de irradiancia. Para
determinar este comportamiento se optó por desarrollar un modelo simulado mediante
software que permite visualizar el comportamiento de una celda solar ante las
variaciones presentadas en cada una de las curvas de irradiancia.
El modelo simulado se realizó mediante la herramienta de diseño y simulación Power
Simulation (PSIM). Esta herramienta permite integrar dentro de la simulación el
comportamiento de los paneles fotovoltaicos con las inferencias de temperatura e
irradiancia. Los datos característicos del sistema generador fueron obtenidos a partir de
la ficha técnica del panel fotovoltaico SW 150 mono R6A de la marca Solar World (Anexo
3 especificaciones técnicas modulo solar).
En la Figura 9 se presenta el modelo proporcionado por la herramienta PSIM. Este
modelo simula las condiciones operativas de un panel fotovoltaico de acuerdo al modelo
eléctrico característico de las celdas solares. A partir de los datos introducidos se
obtuvieron las relaciones en cuanto a la potencia incidente sobre el elemento generador
y la potencia que él puede suministrar al sistema, para cada una de las tres curvas de
irradiancia propuestas.
24
Figura 9 Modelo físico de modulo solar PSIM
De acuerdo con el sistema simulado, en la Figura 10 se exponen las gráficas
correspondientes a la potencia disponible en los grupos generadores a partir de valores
de irradiancia establecidos anteriormente de manera discretizada, con el fin de unificar
las variaciones que se puedan presentar en los niveles de irradiancia a lo largo de una
hora emulada.
Figura 10 Irradiancia (azul)-Potencia generada (rojo)
2.4. Sistema de acumulación de energía
Con el fin de proporcionar autonomía a las topologías aisladas de sistemas de
generación distribuida en caso de presentarse fenómenos de baja irradiancia o en las
horas de la noche, se debe contemplar la inclusión de un banco de baterías que pueda
alimentar la demanda energética del usuario. Para esto, primero se debe definir el
tiempo en el que el equipo emulara un día de operación. Por lo tanto, se establece que
1,6 horas emuladas equivalen a un día de consumo, es decir que 4 minutos
25
representaran una hora de consumo, con el fin de que el tiempo para cada día emulado
no sea demasiado extenso.
La capacidad nominal del sistema (CNS) se calcula de la siguiente manera, ecuación
(2.6.1) y ecuación (2.6.2):
𝐶𝐼 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
(2.6.1)
𝐶𝐼 =60,63 𝑊ℎ − 𝑇𝑂 ∗
12𝑉= 5,052 𝐴ℎ − 𝑇𝑂
*TO: Tiempo de operación, 1,6 horas. Equivalente a un día de consumo
𝐶𝑁𝑆 = 𝐶𝐼 ∗ # 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 (2.6.2)
𝐶𝑁𝑆 = 5,052 ∗ 1 = 5,0527 𝐴ℎ − 𝑇𝑂
CI: Carga diaria de corriente
CNS: Capacidad nominal del sistema
Teniendo en cuenta la profundidad de la descarga de cada una de las baterías es
necesario aplicar un factor de corrección el cual está determinado por la ecuación
(2.6.3):
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =𝐶𝑁𝑆
𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐷𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎.
(2.6.3)
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎 =5,0527
0,8= 6,3158 𝐴ℎ − 𝑇𝑂
Con los datos obtenidos anteriormente es posible determinar el número de baterías en
serie y el número de baterías en paralelo mediante las ecuaciones (2.6.4) y (2.6.5) así
como el banco de baterías a partir de la ecuación (2.6.6):
# 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
(2.6.4)
# 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜 =𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑎
𝐶𝐼 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
(2.6.5)
𝐵𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠
= # 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 ∗ # 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜
(2.6.6)
Para este proyecto se dispuso de una batería tipo Plomo-Acido que cuenta con una
tensión nominal de 12 V y una capacidad de corriente de 7 Ah, de acuerdo a las
ecuaciones (2.6.4), (2.6.5) y (2.6.6) se define la configuración del banco de acumulación
de energía resumido en la Tabla 7.
26
Batería Tensión nominal
Capacidad Ah
# De baterías en serie
# De baterías
en paralelo
Banco de baterías
MH26669 12 7 1 1 1 Tabla 7 Configuración banco de baterías
Este banco de baterías es el encargado de suministrar energía al sistema siempre y
cuando este dentro de los rangos de carga permitidos para realizarlo. De no ser así éste
se encontrará absorbiendo energía de parte del conjunto generador-regulador mientras
se encuentre en la capacidad de entregarle. El modelo de batería que se utilizó para las
simulaciones se encuentra en la herramienta MATLAB SIMULINK, el cual sirvió de base
para la simulación en PSIM. En este modelo los aspectos importantes al momento de
simular tanto la carga como la descarga son: el sentido del flujo de corriente y el estado
de carga SOC de la batería. En la Figura 11 se pueden observar las curvas tanto de carga
como de descarga de las baterías respectivamente en un lapso de una hora.
Figura 11 Grafica de carga de la Batería (a). Grafica de descarga de la Batería (b).
27
2.5. Vehículo Electico
Una de las particularidades de la microrred es la integración de la tecnología V2G que
permite realizar la recarga de la batería del VE y a su vez disponer de la misma como
fuente de suministro de fluido eléctrico según sea el caso. Cuando el vehículo se
encuentra entregando energía a la microrred se hace uso de un convertidor Boost el
cual se encargara de entregar la energía dc al barraje DC correspondiente. De acuerdo a
lo anterior el vehículo eléctrico será representado por una batería la cual está en la
capacidad de demandar y suministrar la potencia establecida en la sección 2.2.1
Dimensionamiento de demanda eléctrica a valores escalados
La batería del vehículo eléctrico debe estar en la capacidad de cargarse en los periodos
del día en los cuales se disponga de energía no consumible por las cargas residenciales
o en su defecto a partir del arreglo de baterías del sistema fotovoltaico en periodos en
los cuales no se tenga una alta demanda de energía. Además debe aportar energía a la
microrred para los casos en los cuales deba alimentar las cargas prioritarias definidas en
el capítulo 4. Dicho caso estará presente en el momento que no se disponga de energía
solar y que la energía almacenada en las baterías pertenecientes al sistema fotovoltaico
no tengan la capacidad de alimentar la demanda residencial. Es importante aclarar que
esta batería debe garantizar una carga mínima que permita un desplazamiento
determinado en el vehículo. Por tanto, la autonomía que le brinde este almacenador al
resto del sistema debe estar en función de las cargas prioritarias, el estado presente de
carga de la batería y el tiempo que pueda mantener dicha demanda.
En el proyecto de grado titulado “Gestión en tiempo real de recarga de vehículos
eléctricos en la ciudad de Bogotá” [43] desarrollado por los estudiantes Adriana
Quintero y Cristian Mendoza pertenecientes al grupo de investigación GCEM de la
Universidad Distrital, se muestra el comportamiento característico de la tensión y la
corriente en la recarga de las baterías más representativas de los vehículos eléctricos
que se encuentran en el mercado (Figura 12), a partir del modelo eléctrico desarrollado
por Tremblay [44] y el cálculo de los parámetros para estas baterías establecido por
Martínez [45].
Figura 12 Características de la recarga de VE`s [45].
28
Tomando como referencia las características de la recarga del VE mostradas en la Figura
12 se simula en el software de Psim el modelo de batería eléctrica con el que cuenta el
software Matlab - Simulink para una batería de 12 VDC con una capacidad de 7 AH la
cual representara el vehículo eléctrico en el emulador de la microrred (Figura 13). En la
Figura 14 se muestra el comportamiento para la tensión y corriente de la recarga de la
batería que emulara el VE a partir del modelo simulado en Psim.
Figura 13 Modelo de Batería 12VDC, 7AH software PSIM
Figura 14 Características recarga batería a emular el VE. Tensión (a), Corriente (b).
Realizando la comparación de las características de la recarga de las baterías de los VEs
más representativas comercialmente y la batería a emular se puede concluir que el uso
de una batería de menor capacidad y tensión puede reflejar las características de la
recarga de un vehículo eléctrico real al presentar comportamientos similares con
respecto a sus graficas de tensión y corriente.
29
2.6. Conclusiones del capitulo
En el diseño de este proyecto, la topología de microrred seleccionada permite
cubrir las necesidades expuestas al inicio del proyecto ya que brinda la
posibilidad de conectar una fuente de respaldo como lo es el VE, no trabaja
cargas en sus barrajes DC y adicionalmente permite regular la energía entregada
por el banco de baterías del SFV.
El dimensionamiento del sistema de acumulación para el emulador de la
microrred residencial se realizó a partir del modelado del sistema conformado
por la demanda escalada. Es decir que para calcular el banco de baterías propicio
para el sistema, no se le aplico un valor escalable ya que no es adecuado escalar
la capacidad de las baterías debido al tiempo de operación del emulador.
Para una aplicación real el grupo generador puede llegar a suministrar entre el
40 y el 50 % de la demanda máxima bajo condiciones ideales de operación. Sin
embargo para el dimensionamiento se consideró que el grupo generador
estuviera en la capacidad de alimentar el 100% de la demanda más las pérdidas
del sistema, con el fin de diseñar los convertidores y sus respectivos elementos.
Es decir que el emulador está en la capacidad de integrarse con condiciones
características de paneles solares de hasta 150 W permitiendo de tal manera la
inclusión de emulación de celdas fotovoltaicas de menor capacidad
El consumo propio de las baterías del VE depende directamente de su SOC. Por
tanto, la demanda que producirá el VE cuando actúa como carga será variable y
no se mantendrá fija como sucede con las demás cargas del sistema.
30
31
3. DISPOSITIVOS DE CONVERSIÓN DEL EMULADOR La Figura 4 muestra el esquema seleccionado para el desarrollo del emulador de una
microrred aislada. Además de las fuentes de energía y de las cargas establecidas en el
capítulo anterior, cuenta con tres dispositivos de conversión que tienen como función
enlazar los demás elementos del sistema. Por lo tanto, y debido a la importancia de estos
elementos, este capítulo presenta los dispositivos de conversión utilizados en el
prototipo emulador, sus funcionalidades dentro del sistema y sus características de
operación, entre las que se incluyen el dimensionamiento de sus respectivos elementos
y los métodos de control usados para cada uno.
3.1. Regulador de carga
La potencia máxima extraíble de un generador FV no solo depende de las condiciones
climáticas. También se debe tener en cuenta el punto de operación del sistema de
conversión de energía. Para extraer la máxima potencia se debe encontrar el punto de
operación del sistema y llevarlo hasta el máximo punto de potencia (MPP). Un
convertidor DC/DC varía la resistencia aparente (Ri) del panel FV para que sea igual al
valor de la resistencia en el máximo punto de potencia (RMPP) [46].
En la Tabla 8 se presentan las características de los convertidores que pueden realizar la
función de regulador para el emulador de la microrred residencial.
CONVERTIDOR Buck-Boost
Cuk Positive Buck-
Boost SEPIC
DESCRIPCIÓN
Polaridad de tensión de salida Invertida Invertida No- invertida No-
invertida
Corriente de entrada Pulsante No
pulsante
Depende del modo de
operación Pulsante
Switch Drive Flotante Flotante Flotante y aterrizado
Aterrizado
Eficiencia Baja Media Alta en el
estado activo Media
Costo
medio debido al controla
dor flotante
Media debido al capacitor adicional
Alto debido al interruptor
adicional y al controlador de
interruptor
Media debido al capacitor adicional
Tabla 8 Comparación de convertidores. [47]
A partir de las características de los convertidores presentados, se selecciona el
convertidor SEPIC como el dispositivo que permite realizar la conexión entre el grupo
generador, el cual corresponde a un sistema FV que es emulado por la fuente Agilent
descrita en el Anexo 5 especificaciones fuente Agilent), y el resto del sistema, ya que
32
posee la propiedad de no invertir la tensión de salida. Además, permite realizar una
conexión solida a tierra en cuanto a su dispositivo de conmutación. Este convertidor
funciona como fuente de corriente fijando su salida al valor de tensión del banco de
baterías FV. Este convertidor permite alimentar las cargas residenciales de acuerdo a la
disponibilidad de la energía del grupo generador, permite realizar el aprovechamiento
máximo de la energía disponible y a su vez salir de su punto de máxima potencia MPP.
Es decir, en el caso de presentarse un exceso de energía, realizar las recargas a las
baterías sin alcanzar niveles de sobrecarga para evitar el desgaste progresivo de los
elementos almacenadores.
3.1.1 Diseño convertidor SEPIC
El dimensionamiento y diseño de los elementos del convertidor SEPIC se realiza a partir
del modelo ideal presentado en la Figura 15 y bajo la premisa de funcionamiento como
convertidor regulador de tensión [48]. A continuación se mencionan los parámetros de
diseño para el convertidor regulador.
Figura 15 Topología Convertidor SEPIC
𝑃𝑂𝑚𝑎𝑥 = 150𝑊 𝑃𝑖𝑛 = 150 𝑊 𝑉𝑂 = 12 𝑉
𝑉𝑖𝑛 = 18.4𝑉 𝑉𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥 = 22.8 𝑉 𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛 = 10𝑉 Pomax: Potencia máxima de salida. Pin: Potencia nominal de entrada. Vo: Tensión de salida de operación. Vin: Tensión de entrada, relacionado con el VPM del módulo solar. Vinmax: Tensión de entrada máximo, Voc del módulo solar. Vinmin: Tensión de entrada mínimo
En la Tabla 9 se resumen los elementos dimensionados para el convertidor SEPIC, de
acuerdo al desarrollo matemático de [48]. En Figura 16 se expone el convertidor SEPIC
con los valores obtenidos.
33
VARIABLE ECUACIÓN RESULTADO OBSERVACIONES
0,56
12,5 A
9,5 A
* Corriente definida de acuerdo a la máxima
corriente de salida de la fuente Agilent
0,96Ω
𝑰𝑳𝟏(𝒑𝒊𝒄𝒐) 𝐼𝑜
𝑉𝑜 + 𝑉𝑑
𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛(1 +
a%
2) 16,66𝐴
𝑰𝑳𝟐(𝒑𝒊𝒄𝒐) 𝐼𝑜 (1 +a%
2) 13,125𝐴
Tabla 9 Elementos convertidor SEPIC
Figura 16 Convertidor SEPIC PSIM
Dmax 𝑉𝑜𝑢𝑡 + 𝑉𝑑
𝑉𝑖𝑛. 𝑚𝑖𝑛 + 𝑉𝑜𝑢𝑡 + 𝑉𝑑)
𝐼𝑜 𝑃𝑜𝑚𝑎𝑥
𝑉𝑜
𝐼𝑖𝑛 𝑃𝑖𝑛
𝑉𝑖𝑛
R𝑙𝑜𝑎𝑑. 𝑚𝑖𝑛 𝑉𝑜/𝐼𝑜
𝑉𝑜
𝑉𝑖𝑛 𝐷
1 − 𝐷
𝐿1 = 𝐿2 = 𝐿 𝑉𝑖𝑛. 𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝐷𝑚𝑎𝑥
𝛥𝐼𝑙 ∗ 𝑓𝑠𝑤∗ 1,3 98,28 𝜇𝐻
𝐶𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝐷
𝛥𝑉𝑜𝑅𝑓 466,66 𝜇𝐹
𝐶𝑠 = 𝐶𝑜𝑢𝑡 466,66 𝜇𝐹
34
En la Figura 17 se observa el comportamiento de la tensión en los bornes de salida del
convertidor SEPIC ante la variación en la tensión de entrada, pasando del valor mínimo
de tensión a su valor máximo, manteniendo la relación del ciclo de trabajo para no
modificar la tensión de salida. De acuerdo al dimensionamiento realizado, se obtiene el
comportamiento deseado en cuanto a las señales de tensión.
Figura 17 Tensión de salida ante variaciones en la tensión de entrada
Seguidamente se analizan las señales de corriente en los diferentes elementos del
convertidor SEPIC. La Figura 18(a) permite apreciar las respectivas corrientes en los
inductores. Estás señales corresponden al convertidor sometido a una demanda de 9,6
W, es decir fijando una resistencia de carga RLOAD de 15Ω, estableciendo este valor
como la mínima potencia que puede desarrollar el SEPIC. Asimismo se garantiza que una
demanda menor provocaría que el convertidor operara en MDC. La Figura 18(b) expone
la señal de corriente que fluye a través del dispositivo de conmutación Mosfet.
Figura 18 (a) Corrientes IL1 e IL2. (b). Corriente Mosfet con RLOAD de 15Ω
35
Asimismo la Figura 19 permite apreciar las mismas señales de corriente ante una
variación en demanda de 150 W, equivalente a una RLOAD de 0,96 Ω. Para esta
condición las corrientes en los inductores no superan en su rizado de corriente más del
10%, lo cual ratifica que los valores calculados en el dimensionamiento cumplen con las
necesidades del prototipo.
Figura 19 (a) Corrientes IL1 e IL2. (b) Corriente Mosfet con RLOAD de 0,96Ω
3.1.2 Algoritmo MPPT de perturbación y observación P&O
Con el fin de realizar un aprovechamiento máximo de la fuente fotovoltaica se ha optado
por implementar un convertidor adaptable al algoritmo MPPT (seguidor de punto de
máxima potencia). El convertidor SEPIC, no presenta regiones no operativas, además no
realiza ninguna inversión en cuanto a la tensión de salida, lo que permite la inclusión del
algoritmo seguidor de máxima potencia. El MPPT hace uso de la curva característica del
panel fotovoltaico para determinar el punto de máxima transferencia de potencia. Esta
curva está dada en función de la tensión y de la corriente, dependientes de la
temperatura y la irradiancia respectivamente. Dentro de las especificaciones del panel
usado se encuentra la curva característica del mismo, la cual permite observar los
puntos de máxima potencia de acuerdo a la irradiación disponible en este, Figura 20.
36
Figura 20 Curva característica de panel FV. Anexo 4
Los algoritmos de MPPT actúan sobre el ciclo útil del convertidor, permitiendo variar la
corriente extraída del arreglo de paneles fotovoltaicos, en los casos donde la generación
(energía solar) es menor o igual a la energía demanda o en los sistemas interconectados
a la red. Su funcionalidad es mucho más llamativa en sistemas interconectados ya que
permite la mayor transferencia de potencia disponible. Existen una gran variedad de
algoritmos MPPT entre ellos: conductancia incremental, los basados en redes
neuronales, optimización por enjambre de partículas, perturbar y observar (P&O), entre
otros [49].
El algoritmo P&O ofrece como ventaja la simplicidad de su funcionamiento e
implementación. Este algoritmo realiza una lectura de tensión y corriente a los cuales
está funcionando el panel FV en un estado inicial; mediante una pequeña perturbación,
el algoritmo compara la potencia de un nuevo registro con respecto al anterior, y de esta
manera genera una acción sobre el tensión de referencia que domina el interruptor de
conmutación, variando así el ciclo útil y por consiguiente la resistencia del sistema y la
corriente exigida a la fuente. Aunque este algoritmo tenga como desventaja los tiempos
de respuesta ante las variaciones bruscas de irradiación, su implementación de forma
digital permite realizar una mayor cantidad de lecturas y de acciones sobre el ciclo útil ,
en comparación con algoritmos como el de Inductancia incremental. El diagrama de flujo
correspondiente al algoritmo MPPT integrado al convertidor SEPIC se observa en la
Figura 21.
37
Figura 21 Diagrama de flujo algoritmo P&O.
A partir de la lectura inicial de los parámetros de tensión, corriente y potencia del arreglo
fotovoltaico se genera una perturbación inicial en el ciclo útil del convertidor. En
consecuencia se obtiene una variación en la tensión del panel fotovoltaico en cierta
dirección. Si la potencia extraída del mismo se incrementa, significa que el punto de
operación se ha movido hacia el MPP y por consiguiente la tensión de operación deberá
perturbarse en la misma dirección a partir de la variación de la tensión de referencia que
controla el dispositivo de conmutación del convertidor DC-DC. De otra forma, si la
potencia extraída del arreglo fotovoltaico disminuye, el punto de operación se ha
movido en dirección opuesta de la ubicación del MPP y por consiguiente la tensión de
operación deberá ser perturbado, en dirección contraria a la que se tenía [49].
La curva roja de la Figura 22 representa un perfil de potencia disponible (irradiancia) en
forma discreta. Las variaciones son escalonadas con el fin de evaluar el algoritmo ante
una condición crítica de cambio de estado. En la curva azul se puede observar que el
algoritmo seguidor del MPP después de su estabilización, realiza el seguimiento de
potencia de acuerdo a la potencia disponible en el arreglo de paneles fotovoltaicos. A
38
partir de este perfil de generación y observando la respuesta de la gráfica de potencia
extraída del panel se divisa la funcionalidad del algoritmo ante demandas energéticas
que sean iguales o mayores a la potencia disponible en el grupo generador.
Figura 22 Potencia Disponible en el panel (Rojo). Potencia Extraida del panel V*I (Azul)
Para los casos particulares en los que la potencia demandada es menor a la potencia
disponible en el grupo generador, se observa que el convertidor regulador busca
imponer un nivel de tensión por encima del valor nominal. Por tanto, esta característica
realiza la función de recarga al banco de baterías y a la vez el suministro de potencia a
la demanda eléctrica. Con el fin de evitar una sobre carga en la batería se optó por limitar
esta tensión de recarga manteniéndolo en un rango entre los 11,5 y los 13,5 V para el
barraje de 12 V, realizando una modificación al algoritmo P&O. En la Figura 23 se
presenta el diagrama de flujo para la metodología de control propuesta.
39
Figura 23 Algoritmo P&O modificado
La Figura 24 presenta el comportamiento de la Potencia extraída del panel fotovoltaico
ante una demanda eléctrica que consume una potencia menor a la potencia disponible
en el grupo generador a partir de un nivel de tensión de recarga fijo para este tipo de
situaciones. El modelo del SEPIC controlado se presenta en el Anexo 6 Modelo SEPIC
controlado al igual que el código de programación usado en la herramienta PSIM Anexo
7 Control convertidor SEPIC.
40
Figura 24 Curvas de potencia. Potencia disponible en el panel (Rojo). Potencia extraída del panel V*I (Azul). Tensión en la carga (Fucsia)
3.2. Convertidor Boost SFV
Dentro del desarrollo de la topología seleccionada para la construcción del emulador se
encuentra un convertidor DC/DC que es el enlace entre el banco de baterías y la entrada
del inversor, la función de este convertidor es elevar la tensión en la que se encuentra
el banco de baterías (10~13,8 V) hasta 24 V la cual es la tensión de funcionamiento del
inversor, en la Figura 25 se puede observar la estructura básica del convertidor.
3.2.1 Diseño convertidor BOOST
Figura 25 Topología Convertidor Boost Sistema FV
Información del convertidor:
𝑉𝑖 = 12 𝑉 𝑉𝑜 = 24 𝑉 𝑃𝑜 = 150 𝑊 𝐹𝑐 = 20 𝑘𝐻𝑧
41
𝑉𝑖: 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑉𝑜: 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑃𝑜: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝐹𝑐: 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 Conmutación
A partir de los datos iniciales se procede a calcular los elementos del convertidor, el valor
de los elementos se presentan en la Tabla 10.
Variable Ecuación Resultado
Delta 𝐷 =𝑉𝑜 − 𝑉𝑖
𝑉𝑜 0,5
Inductor 𝐿𝑚𝑖𝑛 =𝐷 ∗ (1 − 𝐷)2 ∗ 𝑅
2 ∗ 𝐹𝑐
15 µH
Porcentaje de rizado ∆𝑉𝑜
𝑉𝑜 1 %
Capacitor 𝐶 =𝐷
𝑅 ∗ 𝐹𝑐 ∗∆𝑉𝑜
𝑉𝑜
651 µF
Resistencia de carga 𝑅 =𝑉𝑜2
𝑃𝑜 3,84 Ω
Corriente en la bobina 𝑖𝐿 =𝑉𝑖
𝑅 ∗ (1 − 𝐷)2 8,68 A
IL máxima 𝑖𝐿 +𝑉𝑖 ∗ 𝐷
2 ∗ 𝐿𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝐹𝑐 16,6 A
IL mínima 𝑖𝐿 −𝑉𝑖 ∗ 𝐷
2 ∗ 𝐿𝑚𝑖𝑛 ∗ 𝐹𝑐 0,6 A
Tabla 10 Elementos Convertidor Boost Sistema FV [50]
3.2.2 Control convertidor Boost sistema FV
En la Figura 26 se presenta el diagrama de flujo correspondiente a la lógica que maneja
el control de tensión del convertidor Boost del barraje. En él se fija una tensión de salida
y para ello se lee de manera constante esta tensión, Si esta tensión varía, se realiza la
respectiva realimentación y se proceder a disminuir o aumentar el ancho de pulso del
PWM para garantizar que la tensión de salida permanezca en 24 V.
42
Figura 26 Diagrama de Flujo Control Boost SFV
Este convertidor trabaja con un control de tensión el cual se encarga de fijar su tensión
de salida en 24 V para que el inversor pueda funcionar. Para ello se lee la tensión de
salida del convertidor mediante un divisor resistivo que permite tomar esta señal
sensada y llevarla a niveles admisibles para el microprocesador (PIC16F577a) el cual se
encarga de comparar la señal sensada con un valor de referencia equivalente a 24 VDC
y generar una señal PWM que permite la activación del dispositivo conmutador (Anexo
4 especificaciones técnicas Mosfet), en él Anexo 11 Esquema Conexión Control Tensión
Boost Sistema FV) se presenta el esquema físico del control de tensión.
En la Figura 27 se muestra la tensión de salida del convertidor Boost FV y su respectiva
potencia de salida ante variaciones en la tensión de entrada con carga variable. Mientras
la batería del SFV se encuentre dentro del rango de operación (tensión en bornes > 10
VDC), la tensión de salida se mantiene constante alrededor de 24 VDC aunque exista
variación en la demanda.
43
Figura 27 Potencia de salida, tensión de salida y entrada convertidor Boost sistema FV.
3.3. Convertidor Boost para VE modo V2MG
Para lograr que la batería del VE suministre potencia al barraje se utiliza un convertidor
Boost, la Figura 28 se muestra la topología del convertidor Boost.
Figura 28 Topología Convertidor Boost.
Para calcular las diferentes variables del convertidor se tienen en cuenta los siguientes
datos:
𝑉𝑖 = 13, 5 𝑉 − 11 𝑉 𝑉𝑜 = 25 𝑉 𝑃𝑜 = 23 𝑊 − 15 𝑊 𝐹𝑐 = 20 𝑘𝐻𝑧
𝑉𝑖: 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑉𝑜: 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑃𝑜: 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝐹𝑐: 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 Conmutación
44
La Tabla 11 muestra los resultados de las variables que componen el convertidor Boost para VE modo V2MG.
Variable Ecuación Resultado
Delta
Resistencia de Carga
inductancia
Rizado Tensión de salida
1%
Condensador
Corriente en la bobina
iL máxima
iL mínima
Tabla 11 Valores Calculados Convertidor Boost VE
3.3.1 Control del convertidor Boost para VE modo V2MG
Este apartado explica el funcionamiento del control utilizado para garantizar la puesta
en marcha del vehículo eléctrico (VE) como fuente de respaldo de la microrred. La forma
de suministrar energía al barraje DC del sistema es a través del convertidor Boost cuando
las condiciones de operación de la misma lo requieran. Para ello, en la salida del
convertidor debe garantizarse una tensión superior a 25 VDC (tensión de operación del
inversor y tensión de operación mayor al convertidor Boost del sistema FV) y de esta
manera cubrir la potencia demandada por las cargas. El diseño del control del
convertidor Boost para VE como generador, se explica en el diagrama de flujo de la
Figura 29.
45
Figura 29 Diagrama de flujo control Convertidor Boost VE.
Inicialmente se establece un ancho de pulso PWM con el que se garantiza una tensión
en la salida del convertidor mayor a la tensión de entrada de la batería VE. Un sensor de
tensión lee este valor y lo lleva a un micro controlador el cual procesa la señal y la
compara con un valor de referencia equivalente a 25 VDC. Si la tensión en el barraje es
menor al valor de referencia, el ancho de pulso PWM se incrementa hasta garantizar 25
VDC en el barraje; si la tensión en el barraje es mayor al valor de referencia, el ancho de
pulso PWM disminuye hasta obtener 25 VDC asegurando el adecuado funcionamiento
del convertidor, Adicionalmente, se proporciona un valor máximo y mínimo en el ancho
de pulso PWM para evitar daños en el inversor y los elementos del convertidor Boost
VE.
En la Figura 30 se muestra el circuito de activación del vehículo eléctrico como
generador una vez las condiciones de operación del sistema lo requieran. Una señal de
5 VDC proveniente del sistema de gestión activa el relé y permite el paso de corriente
desde la batería del VE hasta el convertidor Boost VE.
La Figura 31 y la Figura 32 muestran la tensión de salida del convertidor Boost VE y su
potencia de salida ante variaciones en la tensión de entrada con carga fija y carga
variable respectivamente. Mientras la batería del VE se encuentre dentro del rango de
operación (tensión en bornes > 11 VDC) la tensión de salida se mantiene constante
alrededor de 25 VDC aunque exista variación en la demanda.
46
Figura 30 Circuito de Activación VE como generador
Figura 31 Tensión de salida y potencia convertidor Boost VE carga fija.
Figura 32 Tensión de salida y potencia del convertidor Boost VE ante variaciones de carga.
47
3.4. Cargador Vehículo Eléctrico
Cuando la batería VE necesite cargarse, este proceso se realiza a partir del barraje AC ya
que en ese punto se encuentran conectadas todas las cargas de la vivienda. Por ello es
necesario implementar un cargador de baterías que transforme la energía AC a DC para
poder cargar la batería. En la Tabla 12 se presentan los valores de salida del cargador y
la topología a implementar será la indicada en la Figura 33 con la cual se cargara la
batería del VE con Tensión constante.
Potencia Máxima (W) Tensión (V) Corriente Máxima (A)
46,2 14 3,3 Tabla 12 Características Cargador VE
Figura 33 Cargador VE
3.5. Conclusiones del capitulo
Para asegurar un correcto funcionamiento en el convertidor Boost del SFV, es
necesario que la tensión de entrada se encuentre en un valor mayor a los 9,5
VDC, garantizando con ello una tensión de salida de 24 VDC ya que a esa tensión
de entrada, el inversor trabaja de manera correcta. Adicionalmente, es necesario
conectar un condensador DC LINK en la entrada del inversor para evitar que se
reproduzcan en la zona DC las fluctuaciones de tensión que se puedan presentar
en el barraje AC debido a la manipulación de relés y a la entrada de fuentes de
generación de respaldo.
El convertidor DC/DC integrado al sistema emulador, es el convertidor SEPIC ya
que el mismo tiene la capacidad de funcionar como elemento aportante de
corriente ante un nivel de tensión sujetado a 12 V proveniente de las baterías
pertenecientes al SFV. De esta manera, mediante el ajuste del ciclo útil se puede
realizar la búsqueda del punto de máxima potencia con ayuda del algoritmo
48
P&O, realizando el aprovechamiento de energía máximo proporcionado por la
fuente Agilent sin invertir el nivel de tensión en los bornes de salida del
convertidor.
El convertidor regulador seleccionado para el prototipo fue el SEPIC. Este
convertidor permite variar la potencia suministrada según sea la necesidad
energética del sistema para cada instante de tiempo, a partir del aumento o
reducción de su ciclo útil. El convertidor SEPIC prioriza la demanda exigida por
las cargas residenciales realizando de tal manera la recarga del SFV después de
garantizar el funcionamiento de los circuitos de la vivienda.
Para evitar daños progresivos en el banco de baterías usadas como sistema de
acumulación del sistema fotovoltaico, se limitó el nivel de tensión para la recarga
en un valor de 13 V en el caso de presentarse una mayor potencia de generación
disponible en comparación con la potencia neta demandada por el sistema
emulador en general.
Para lograr que el VE opere como fuente de respaldo una vez las condiciones del
sistema lo requieran, es necesario que su tensión de entrada sea mayor o igual
a 11 VDC. Con este valor de entrada se asegura una tensión de salida de 25 V,
suficiente para suplir las cargas y permitiendo el adecuado funcionamiento del
inversor.
El cargador del VE se diseña para una potencia de carga máxima de 46,2 W, esto
con el fin de emular el impacto de la carga del VE en el sistema. Sin embargo, la
demanda por parte del VE puede cambiar dependiendo del estado de carga en
el que se encuentre la batería.
49
SISTEMA DE GESTIÓN ENERGÉTICA DEL EMULADOR
Teniendo en cuenta la topología de la microrred seleccionada, es posible basar la operación del sistema de gestión en los niveles de tensión existentes en las baterías del sistema fotovoltaico (SFV) y del vehículo eléctrico (VE) en rangos de tensión mayores a 10 VDC, para la batería del sistema fotovoltaico y mayor a 11 VDC para la batería del VE. Debido a que la microrred a emular se encuentra aislada de la red, se realizó una encuesta (Anexo 1 Encuesta) de acuerdo a una lista prestablecida de artefactos que comúnmente se encuentran en una vivienda, donde se preguntó qué tipo de cargas priorizaría, en caso de racionamiento de energía. El resultado de la encuesta se utiliza como criterio para definir el orden de prioridades de las cargas en el emulador. La Tabla 13 muestra el orden de prioridades para las 20 cargas con las que cuenta la vivienda (11 de baja prioridad, 7 de media prioridad y 2 de alta prioridad). Esta clasificación es muy importante ya que a partir de la misma se realiza la gestión en la demanda.
Carga Artefacto Prioridad
1 Luminaria Comedor Media 5
2 Luminaria Sala Baja 1
3 Luminaria Pasillo Baja 2
4 Luminaria Cocina Media 2
5 Luminaria Dormitorio Principal Media 3
6 Luminaria Dormitorio Auxiliar Baja 10 7 Luminaria Estudio Baja 3
8 Luminaria Baño Media 4
9 Televisor Sala Media 7
10 Televisor Dormitorio Baja 7 11 Equipo de Sonido Baja 8
12 Video Juegos Baja 9
13 Nevera Alta 2 14 Lavadora Baja 6
15 Computador 1 Media 1
16 Computador 2 Baja 4
17 Microondas Baja 5 18 Secador de pelo Baja 11
19 Circuito Especial 1 Alta 1
20 Vehículo Eléctrico Media 6 Tabla 13. Asignación de prioridades para las cargas de la vivienda
4.1 Algoritmo de gestión energética propuesto
En la Figura 34 se muestra el diagrama de flujo correspondiente al sistema de gestión
propuesto para el control del emulador de la microrred, el cual se encuentra dividido en
21 secuencias de operación. En el inicio de la programación se establecen los valores de
referencia para los niveles de tensión de las baterías del sistema fotovoltaico
50
(REFBATPV) y el vehículo eléctrico (REFBATEV), a partir de los cuales se puede garantizar
una operación adecuada de la microrred. Si la tensión en la batería del sistema
fotovoltaico es mayor a 10,8 V, el programa ingresa en la secuencia 1 (SEC1) donde se
permite la activación de cualquier elemento, es decir habilita las cargas desde Alta 1
hasta Baja 11. De no cumplirse esta condición se deslastra la carga de más baja prioridad
en la vivienda (Baja 11), y el programa pasará a operar en la secuencia 2. Si con la acción
realizada en la secuencia anterior, el nivel de tensión de la batería del sistema FV es
mayor a 10,8 V se habilitan todas las cargas con excepción de la carga deslastrada en la
secuencia anterior. De lo contrario se procede con el deslastre de la siguiente carga de
más baja prioridad en la vivienda (Baja 10). Esta lógica se repite en las siguientes
secuencias hasta que se cumpla con la condición establecida para el nivel de tensión de
la batería FV.
* En esta parte de la operación el vehículo eléctrico se deshabilita como generador, de estar en la vivienda se permite realizar la
recarga de la batería. **El Vehículo Eléctrico se habilita para que opere como generador alimentando únicamente las cargas de
alta prioridad, no es posible realizar la recarga de la batería en este momento.
Figura 34 Diagrama de flujo Sistema de Gestión
Cuando las condiciones de operación de la microrred determinan que es necesario el deslastre de todas las cargas de baja y media prioridad, el sistema de gestión puede habilitar el VE como fuente de generación para alimentar las cargas de alta prioridad (Alta 1 y Alta 2) cuando el nivel de tensión de la batería del VE sea mayor a 11 V. Esto se realiza a partir de la secuencia 19. De no estar disponible el vehículo eléctrico, se realiza el deslastre desde la carga alta 2 hasta la carga alta 1. Una vez en este punto, el sistema de gestión ingresa en una última secuencia, donde permanecerá sensando las baterías del SFV y el VE hasta que nuevamente los niveles de tensión se encuentren por arriba de las referencias respectivas, habilitando nuevamente las cargas desde la secuencia 18 hasta llegar a la secuencia 1.
51
A partir de la secuencia 2 en adelante, el sistema de gestión tiene en cuenta el aporte
de energía proveniente del convertidor SEPIC. Cuando se produce una mejora en las
condiciones de irradiancia, la batería del SFV aumenta su nivel de tensión, haciendo que
este nivel supere los 12,5 V, de tal manera permite al sistema de gestión retroceder una
secuencia, mientras el nivel de tensión continúe arriba de 12,5 V permite habilitar
paulatinamente cargas dentro de la vivienda, aprovechando al máximo la energía que
se genera en la microrred.
4.2 Interface del emulador
Dentro del desarrollo del emulador se incorporó un software que permite la visualización en un ordenador de variables como la Tensión y la Potencia en distintos puntos del sistema, con el fin de permitir al usuario observar el comportamiento energético en el sistema, otorgándole de manera visual los niveles tanto de generación como de demanda en el sistema.
El proceso que se llevó a cabo para la visualización de datos consistió en el sensado y la
adecuación de las señales. Posteriormente, se realiza la lectura de las señales dentro del
ordenador y la manipulación de las mismas.
4.2.1 Adquisición de datos
Para poder visualizar algunas de las variables del sistema es necesario capturar varias
señales del emulador por medio de sensores tanto de corriente (Sensores de efecto
hall), de referencia ACS712-20 y ASC712-5, como de tensión (divisores resistivos), de
referencia 10123W150075. Estos varían dependiendo la magnitud de la señal. Las
lecturas que se realizan son las siguientes:
Corriente de salida del regulador de carga SEPIC
Tensión en las baterías del sistema fotovoltaico
Corriente de salida del BOOST del sistema fotovoltaico
Corriente de salida del vehículo eléctrico
Tensión de Salida del vehículo eléctrico
La lectura de las señales que proporcionan cada uno de los sensores se realiza mediante un PIC 18f2550 (Figura 35), el cual es el encargado de agrupar las señales y enviarlas al ordenador por medio del puerto USB. Para lograr la identificación del dispositivo por parte del ordenador fue necesario crear un driver (Se desarrolló para Windows 7) por medio del programa NI-VISA Driver Wizard de la compañía National Instrument, el cual permite crear una firma digital para el PIC, y de esta manera lograr que el computador pueda reconocerlo de manera automática.
52
Figura 35 Esquema Conexión PIC 18f2550
4.2.2 LabVIEW
Luego del reconocimiento del dispositivo por parte del computador, se realiza el software de visualización. Para ello se recurrió al programa NI labVIEW de la empresa National Instrument, el cual permite realizar la adquisición de datos a través de los distintos dispositivos que pueden ser reconocidos por el computador. Luego de adquirir los datos, estos se procesan por medio del lenguaje de programación G (lenguaje Gráfico) y finalmente se visualizan los datos ya procesados en su panel frontal [48].
Dentro del software de LabVIEW, el elemento principal que permite el intercambio de datos entre el PIC y el ordenador se denomina BULK.USB, el cual permite reproducir las señales que se leen en los puertos análogos del PIC dentro de labVIEW. Al tener las señales dentro del programa, se modifican de tal manera que se logren obtener las lecturas reales que realizan los sensores. Posteriormente, se realizan las respectivas operaciones para obtener los valores de potencia, tensión y el balance energético.
El Balance energético tiene en cuenta la energía generada por el sistema fotovoltaico y
la potencia demanda. Si este valor es positivo significa que la energía entregada por el
convertidor SEPIC es suficiente para alimentar todo el sistema. Si por el contrario, este
valor es negativo, significa que el sistema para suplir su demanda está tomando energía
del banco de baterías del SFV o de la batería del VE.
En la Figura 36 se observa el procedimiento que se realiza para obtener las magnitudes
deseadas, y a su vez se muestra el lenguaje G de programación de LabVIEW.
53
Figura 36 Programación Grafica Labview
Después de obtener las magnitudes correspondientes se procede a mostrarlas y/o representarlas en el panel frontal de LabVIEW el cual representa la interfaz al usuario, En la Figura 37 se muestra la capa grafica para cada una de las magnitudes a visualizar.
Figura 37 Panel Frontal de Visualización de datos
A continuación se presenta el orden de las variables a mostrar y su respectivo nombre
dentro de la interfaz:
1) P Generada, potencia entregada por el convertidor SEPIC.
2) P Barraje, potencia entrega por el Convertidor BOOST al Barraje de 24 VDC.
3) P VE, potencia entregada por la batería del vehículo eléctrico.
4) P BFV, potencia entregada o consumida por el banco de baterías del SFV.
5) P Salida AC, potencia salida del inversor (potencia barraje + potencia VE).
6) V BFV, Tensión del banco de baterías del SFV.
7) V VE, Tensión de la batería del Vehículo eléctrico.
8) Balance, Potencia Generada por el SEPIC – Potencia Demandada.
1 2 3 4
5
8
6 7
54
4.3 Conclusiones del capítulo
A partir de la encuesta realizada fue posible estimar un habito de consumo por
parte de los usuarios. De este modo se priorizan las cargas dentro de la vivienda,
evitando cambios bruscos en los hábitos de consumo del usuario, en caso de que
el sistema de gestión actué deslastrando cargas.
En el momento en el que se realice el deslastre de carga y la batería del SFV o del
VE recuperan su nivel de tensión por arriba de la referencia establecida para una
condición normal de operación, no es conveniente habilitar inmediatamente
todas las cargas, ya que se presentaría un switcheo indeseado al activar y
desactivar cargas en lapsos de tiempo cortos.
Al clasificar cargas de alto consumo en posiciones de menor prioridad aumenta la posibilidad de suministrar energía a otras cargas durante un mayor tiempo en caso de que se presente racionamiento de energía, debido a la reducción en la profundidad de la descarga en la batería del SFV, ya que este tipo de cargas serían las primeras en ser deshabilitadas por el sistema de gestión.
El desarrollo de una aplicación en labVIEW permite el monitoreo permanente de las variables eléctricas del sistema, lo cual sirve como base para que el usuario pueda tomar decisiones con respecto a sus hábitos de consumo.
Dentro de la interfaz de visualización es recomendable no realizar lecturas en lapsos muy pequeños de tiempo ya que pueden afectarse las mediciones debido a transitorios o fluctuaciones en las señales sensadas debido a la conexión o desconexión de los elementos del sistema.
55
5 DISPOSICIÓN FINAL DEL EMULADOR
Este capítulo presenta la disposición final, características operativas, restricciones,
simulaciones y otros aspectos relevantes del emulador.
5.1 Plano General del sistema
Una vez se realiza el dimensionamiento y diseño de los elementos del emulador, y
teniendo en cuenta la topología seleccionada en la sección 2.1, es posible determinar la
disposición final de cada uno de éstos dentro de la microrred. La Figura 38 muestra el
plano general del sistema, a partir del cual se pueden mencionar las características
operativas y restricciones con las que el emulador operará.
Siempre que exista disponibilidad de energía de la fuente principal las cargas
serán alimentadas por el SFV.
Los interruptores que controlan la carga y descarga de la batería del VE no
podrán estar encendidos al mismo tiempo. Es posible que ambos se encuentren
apagados si las condiciones de operación del sistema lo requieren.
Bajo ningún motivo la batería del VE suministrara energía a cargas que no sean
de alta prioridad.
Las baterías que conforman el SFV y el VE serán de 12 VDC con capacidades de
corriente a potestad del usuario.
El sistema en general no podrá demandar más de 150 W, debido a la potencia
máxima de operación del inversor.
Figura 38 Plano General microrred
5.2 Componentes del emulador de la microrred residencial
Para facilitar la implementación y brindar una mayor flexibilidad al emulador, los
diferentes elementos se agruparan en 3 secciones individuales. La primera sección
recibe el nombre de modulo del emulador y cuenta con dos niveles: un nivel inferior y
56
uno superior. En el nivel inferior se encuentra ubicados los siguientes elementos y su
disposición se presenta en la Figura 39.
Figura 39 Panel Frontal modulo emulador de la microrred
1. Interruptor de fuente de alimentación de 5 V y 24 VDC
2. Salida de tensión de 24 VDC.
3. Puerto USB para conexión a computador.
4. Interruptor de la fuente DC (Agilent) a emular panel fotovoltaico.
5. Fusible convertidor SEPIC.
6. Entrada para fuente DC (Agilent) a emular panel fotovoltaico.
7. Interruptor de la(s) batería(s) del sistema fotovoltaico (SFV).
8. Fusible convertidor Boost SFV.
9. Entrada para batería(s) del SFV.
10. Fusible convertidor Boost vehículo eléctrico (VE).
11. Entrada para batería VE.
12. Puerto de conexión para habilitar y deshabilitar cargas automáticamente.
13. Indicador de tensión en el barraje DC.
14. Inversor 150 W.
En el nivel superior se encuentran ubicados los convertidores DC/DC y sus respectivos
controles, así como un barraje de 5 VDC, un barraje de 24 VDC y un barraje de neutro,
como se muestra en la Figura 40.
15. Convertidor Sepic.
16. Convertidor Boost SFV.
17. Convertidor Boost VE.
18. Control para convertidor Sepic.
19. Control para convertidor Boost SFV.
20. Control para convertidor Boost VE.
21. Barraje 5 VDC.
22. Barraje 24 VDC.
23. Barraje de neutro.
57
Figura 40 Nivel Superior Modulo de la microrred
La segunda sección recibe el nombre de módulo de carga, dentro de este módulo se
encuentran ubicadas las cargas que representan los artefactos de la vivienda, su panel
frontal se muestra en la Figura 41 y está conformado por:
Figura 41 Panel Frontal Modulo de Carga
1. Entrada de 24 VDC.
2. Puerto de conexión para comunicación de cargas.
3. Salida de 120 VAC para cargador de vehículo eléctrico.
4. Entrada de 120 VAC.
58
El panel superior del módulo de carga se muestra en Figura 42. En este panel se pueden
activar las cargas de manera manual, siempre que el led de disponibilidad esté
encendido, y contiene los siguientes elementos:
Figura 42 Panel Superior Modulo de Carga
5. Interruptores para activación de cargas.
6. LEDs indicadores de disponibilidad de cargas.
7. Indicador de artefacto, prioridad y potencia demandada.
8. Indicador de tensión barraje AC.
La última sección corresponde al módulo del cargador de batería VE, el cual cuenta con
una entrada para 120 VAC y una salida para cargar la batería del vehículo eléctrico.
5.3 Simulación microrred residencial sin sistema de gestión
Con el fin de observar el comportamiento del sistema simulado sin sistema de gestión
se seleccionó un caso particular de operación. En la Figura 43 se presenta la simulación
en el software PSIM del emulador de la microrred sin gestión de energía. En este caso el
vehículo eléctrico es usado únicamente como carga. Para la simulación del emulador sin
gestión se reproduce un perfil de demanda el cual corresponde a las horas de la noche
donde se presenta un valor de irradiancia nulo.
La Figura 44 muestra un perfil de demanda el cual abarca desde las 18:00 horas hasta
las 0:00 horas. Este perfil corresponde a la demanda que deberá suplir la microrred en
este lapso de tiempo. Para este caso se asumen condiciones iniciales del 100% del nivel
de carga de la batería del SFV y un 50% del nivel de carga de la batería del VE. En estas
59
horas no se contará con el recurso solar, por lo que no habrá aporte de energía
proveniente del panel fotovoltaico.
Figura 43 Esquema simulado de la microrred sin sistema de gestión
Figura 44 Perfil de demanda bajo condiciones ideales de suministro
La Figura 45 (a) muestra la potencia suministrada por la microrred para las horas
mencionadas anteriormente. En la Figura 45 (b) se muestra la tensión de la batería del
SFV. Mientras el nivel de tensión es mayor a 10 VDC, la demanda es suplida por la misma
y la tensión en el barraje se mantiene en 24 VDC (suficiente para mantener el inversor
encendido). La simulación muestra que esta condición se mantiene aproximadamente
hasta las 20:30, momento en el que la tensión cae por debajo de 10 VDC. En este punto,
al no existir un sistema que deshabilite las cargas conectadas en la vivienda, la batería
continua descargándose hasta niveles críticos, lo que hace imposible mantener la
tensión en el barraje DC (Figura 45 (b)), produciéndose la salida del inversor y el no
suministro de energía a las cargas. Este hecho hace que el usuario se vea seriamente
afectado, ya que se produce un apagado completo del sistema, permaneciendo en este
estado hasta encontrar una inyección de energía proveniente del panel fotovoltaico.
60
Figura 45 Potencia suministrada por la microrred (a). Tensión Batería SFV y Barraje DC (b)
5.4 Simulación microrred con sistema de gestión de energía
La microrred se simula en el software de PSIM y el sistema de gestión se programa
mediante la herramienta C-Block el cual usa como lenguaje programación C básico.
Teniendo en cuenta lo anterior, el sistema de gestión simulado mediante C-Block no es
fiel reflejo del sistema de gestión implementado ya que no es posible obtener todas las
funciones con las que cuenta este lenguaje de programación. Sin embargo, se adapta y
permite realizar una primera aproximación a la respuesta del sistema con gestión de la
energía.
En la Figura 46 se muestra el esquema de la microrred. En este caso el vehículo eléctrico
puede ser utilizado como generador o como carga, según se requiera. Para realizar la
simulación de la microrred con sistema de gestión se utiliza el mismo perfil de demanda
de la Figura 44, asumiendo las mismas condiciones iniciales.
Figura 46 Esquema simulado de la microrred con sistema de gestión
61
La Figura 47 (a) muestra en verde la potencia suministrada por la microrred.
Adicionalmente, se muestra los aportes individuales del SFV y el VE, para las horas
mencionadas anteriormente. Mientras el SFV este en la capacidad de cubrir la energía
demandad en la microrred, el VE no suministra energía. En la Figura 47 (b) se muestra
la tensión de la batería del SFV. Mientras el nivel de tensión es mayor a 10 VDC la
demanda es suplida por la misma y la tensión en el barraje se mantiene en 24 VDC,
suficiente para mantener el inversor encendido. La simulación muestra que esta
condición se mantiene aproximadamente hasta las 20:30, momento en el que la tensión
cae por debajo de 10 VDC. En este punto el sistema de gestión actúa verificando la
disponibilidad del VE como generador. Si la tensión de la batería del VE (Figura 47 (b))
es mayor a 11 V, se considera que el vehículo está disponible y se procede a deslastrar
las cargas de baja y media prioridad, dejando habilitadas únicamente las cargas de alta
prioridad. Bajo esta condición de operación, las cargas permanecerán deshabilitadas
hasta que las condiciones de irradiancia mejoren permitiendo cargar la batería FV,
habilitando nuevamente las cargas y deshabilitando el VE como generador. En el caso
en que la tensión de la batería del VE sea menor a 11 VDC, el sistema procede a apagarse
completamente.
Figura 47 Potencia Suministrada Por el SFV y el VE (a). Tensión batería SFV, VE y Barraje DC (b).
5.5 Conclusiones del capitulo
Al realizar la comparación entre los casos simulados, se evidencia la importancia
de que en este tipo de sistemas exista un sistema de gestión de energía. Por
medio de la gestión se puede proteger el sistema de acumulación de energía, de
descargas a niveles críticos, así como evitar un cambio drástico en los hábitos de
consumo del usuario, al no realizarse un apagado inmediato del sistema.
Al construirse el emulador de la microrred de manera modular es posible brindar
una mayor autonomía y evaluar el impacto al sistema en general cuando se
utilizan baterías de diferentes capacidades.
62
La disposición física que tiene el emulador permite conectar distintos elementos
de carga AC en el punto de conexión del VE, y evaluar que sucede dentro del
sistema en caso de que la carga conectada sea distinta a la proporcionada por el
VE.
63
6 PRUEBAS OPERATIVAS DEL EMULADOR
Este capítulo aborda distintas pruebas realizadas para verificar el comportamiento de
los dispositivos construidos. Las pruebas se realizaron de manera individual a cada
elemento, así como también en conjunto para garantizar el funcionamiento adecuado
del emulador.
6.1 Pruebas individuales de los elementos del emulador
Las pruebas individuales se realizaron a cada uno de los convertidores DC/DC que
conforman el emulador de la microrred, de acuerdo a los rangos de operación de
potencia de cada uno. Se realizaron mediciones de tensión y corriente en la entrada y
salida de los convertidores para calcular las potencias y poder determinar la eficiencia
de cada convertidor.
6.1.1 Convertidor SEPIC regulador de carga
El regulador de carga, SEPIC, opera con un nivel de tensión que varía desde los 0 V hasta
los 22,8 V. Además, este convertidor maneja valores de corriente de acuerdo a los
niveles de irradiancia que van desde los 0,5 A hasta 9,5 A, correspondientes a la carga
mínima para que el convertidor funcione en MCC, y a la corriente máxima
proporcionada por la fuente Agilent, respectivamente. La Tabla 14 resume el
comportamiento en cuanto a la eficiencia del convertidor SEPIC ante una prueba de
incremento de carga.
Tensión de
Entrada (V)
Corriente de entrada
(A)
Tensión de salida
(V)
Corriente de salida
(A)
Potencia de Salida
(W)
Potencia de entrada
(W)
Eficiencia (%)
18,00 1,78 12,37 2,31 28,57 32,04 89,184
18,00 2,70 12,40 3,38 41,91 48,60 86,239
18,00 5,00 12,38 5,94 73,54 90,00 81,708
18,00 8,80 12,32 9,19 113,22 158,40 71,478
18,00 8,80 11,88 10,03 119,16 158,40 75,225
18,00 8,66 11,42 10,89 124,36 155,88 79,782 Tabla 14 Eficiencia-Convertidor SEPIC.
6.1.2 Convertidor Boost Sistema FV
El Convertidor del sistema fotovoltaico trabaja con una tensión de entrada variable al
utilizar batería en su entrada, donde el rango de esta tensión es de 10 a 14 V. Aún más
importante que el nivel de tensión de entrada es el nivel de tensión de salida del mismo,
ya que tiene que fijar esta entre 23-24 V para que el inversor trabaje de manera correcta
64
y permita el paso de cerca de 150 W. A continuación se presenta la Tabla 15 con los
datos obtenidos de potencia, tensión de salida y eficiencia ante variaciones de carga y
tensión de entrada.
Tensión de
Entrada (V)
Corriente de
entrada (A)
Tensión de salida
(V)
Corriente de salida
(A)
Potencia de Salida
(w)
Potencia de
entrada (W)
Eficiencia (%)
12 1 23,8 0,45 10,71 12 89,97
12 2 23,8 0,91 21,65 24 88,12
12 3 23,5 1,32 31,02 23 86,16
12 4,2 24 1,9 45,6 50,4 90,47 12 6,5 23,8 2,3 54,75 78 70,17
12 8,2 23,5 2,74 64,4 98,4 65,43
15 6,2 23,5 3 70,5 93 75,81
15 8 23,4 3,61 84,47 120 70,39
15 9 23,3 4,2 97,86 136,5 71,69 Tabla 15 Eficiencia-Convertidor Boost SFV
6.1.3 Convertidor Boost VE
Como se mencionó anteriormente, el convertidor Boost VE opera únicamente para
alimentar las cargas de alta prioridad, es decir, el rango de potencia en el que trabaja es
entre 14 y 24 W. En la Tabla 16 se muestran los datos obtenidos para este rango de
potencia y la eficiencia obtenida.
Tensión de Entrada
(V)
Corriente de Entrada
(A)
Tensión de Salida
(V)
Corriente de Salida
(A)
Potencia de Salida
(W)
Potencia de Entrada (W)
Eficiencia (%)
10 2,37 25,6 0,84 21,50 23,7 90,73
10,6 2,05 25,6 0,77 19,71 21,73 90,71
10,2 2,85 25,6 1,01 25,85 29,07 88,94
9,9 3,67 26,8 1,25 33,5 36,33 92,20
12,3 1,9 28 0,73 20,44 23,46 87,10
Tabla 16 Eficiencia Convertidor Boost VE
6.2 Prueba funcional del emulador sin gestión
Las pruebas se realizaron al prototipo del emulador habilitando todas las cargas del
módulo de carga y emulando el perfil de demanda expuesto en la Figura 48, ante tres
tipos de curvas de generación: generación alta, generación media y generación baja.
Para esta prueba se determinó que las baterías, tanto del sistema fotovoltaico como del
vehículo eléctrico, tuvieran un nivel de tensión de 12 V y así mismo una capacidad de
65
corriente de 7 Ah. Además, se estableció que 4 minutos de operación del emulador
equivalen a 1 hora de trabajo de una microrred real, como se indica en la sección 2.4.
Sistema de acumulación de energía.
Figura 48 Perfil de potencia demandada propuesto.
De acuerdo al dimensionamiento del panel fotovoltaico y las curvas de irradiancia
establecidas en el capítulo 2 del presente libro, en la Figura 49 se presenta la potencia
disponible para cada una de las curvas de generación establecidas.
Figura 49 Potencia disponible en el panel FV
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
0,000
20,000
40,000
60,000
80,000
100,000
120,000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
P panel 24 de Nov P panel 29 de Nov P panel 15 de Jun
66
Estos perfiles de generación permiten evaluar el comportamiento del emulador bajo
tres condiciones particulares: condición muy favorable 15 de Junio, condición favorable
24 de Noviembre y condición desfavorable 29 de Noviembre.
6.2.1 Caso 1: Irradiancia 24 de Noviembre
La Figura 50 expone el primer caso de evaluación del prototipo emulador sin incluir
ningún sistema de gestión.
Figura 50 Comparación sistema estimado y sistema practico.
En la figura se puede observar que el sistema interrumpe su funcionamiento debido a
que el sistema no está en capacidad de suministrar la potencia demandada en los lapsos
comprendidos entre las 06:00 y 07:00 horas y después de las 22:00 horas, en
comparación al perfil de demanda estimado en la sección 2.2, reflejándose una caída de
tensión en los barrajes, como se observa en la Figura 51.
Este fenómeno obliga al usuario residencial a realizar un sobredimensionamiento en sus
sistemas de acumulación, con el fin de garantizar un suministro continuo de potencia,
aumentando de los costos de la instalación y tamaño de la misma.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia demandada medida Perfil de demanda estimado
67
Figura 51 Tensión barrajes 12 y 24 V.
6.2.2 Caso 2: Irradiancia 29 de Noviembre
El caso 2 representa una condición de irradiancia desfavorable para la microrred. Se
presenta una interrupción, tal como se observa en la Figura 52.
Figura 52 Comparación sistema estimado y sistema practico.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Ten
sio
n (
V)
Tiempo (h)
Tension baraje 12V Tension barraje 24V
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia demandada medida Perfil de demanda estimado
68
De acuerdo a los datos adquiridos en las pruebas realizadas, se determina que el estado
de carga de la batería está directamente relacionado con la cantidad de interrupciones
que pueda presentar el sistema. Para este caso, la salida de operación de la microrred
se presentó en el mismo instante en el cual se incorporó el vehículo eléctrico como carga
(17:00 horas), ocasionando que el sistema no pudiese recuperarse.
La Figura 53 permite evidenciar las caídas de tensión en los barrajes del emulador. Al
igual que en el caso anterior, el control del equipo elevador ejecuta la rutina hasta un
nivel de tensión mínimo, bajo el cual el conversor puede sostener los 24 V en el barraje
24 VDC, los niveles de tensión llegan a valores críticos haciendo obligatoria la
desconexión del elemento almacenador con el fin de no causar daños en el mismo.
Este comportamiento afecta de manera drástica el hábito de consumo del usuario, ya
que al no incorporarse un sistema de deslastre de carga, todo el sistema es apagado y
por consiguiente permanecerá en ese estado hasta no encontrar una inyección de
energía, proveniente por ejemplo del sistema FV.
Figura 53 Tensión barrajes 12 y 24 V.
6.2.3 Caso 3: Irradiancia 15 de Junio
Por último la Figura 54 ilustra el comportamiento del emulador de la microrred
residencial ante la curva de irradiancia más favorable en comparación con las
anteriormente seleccionadas. Al igual que en primer caso presentado, se evidencian dos
interrupciones en el sistema. Sin embargo, este caso cuenta con la particularidad que
instantes previos a la desconexión producida entre las 5:00 y las 6:00 horas se elevó la
potencia suministrada por la batería FV, para luego caer a un valor de cero.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Ten
sio
n V
Tiempo (h)
Tension baraje 12V Tension barraje 24V
69
Figura 54 Comparación sistema estimado y sistema practico
De acuerdo con la Figura 55 esta elevación de potencia fue producida por un aumento
en los valores de corriente proporcionados por la batería ya que los niveles de tensión
tienden a disminuir. Para las horas posteriores de simulación, el sistema operó
normalmente debido a la inyección de energía proveniente de la fuente de generación
fotovoltaica (Fuente Agilent).
Figura 55 Tensión barrajes 12 y 24 V.
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia demandada medida Perfil de demanda estimado
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Ten
sio
n (
V)
Tiempo (h)
Tension baraje 12V Tension barraje 24V
70
La Figura 56, la Figura 57 y la Figura 58 representan los aportes de potencia del
convertidor regulador y el convertidor BOOST FV el 24 de noviembre, 29 de noviembre
y 15 de junio respectivamente.
Figura 56 Potencia desarrollada por dispositivo. Caso 1
Figura 57 Potencia desarrollada por dispositivo. Caso 2
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia de salida SEPIC Potencia de salida Bateria Potencia demandada medida
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia de salida SEPIC Potencia de salida Bateria Potencia demandada medida
71
Figura 58 Potencia desarrollada por dispositivo. Caso 3
En estas tres figuras se puede observar el comportamiento del convertidor regulador
como elemento aportante de corriente a un barraje de tensión fija, y además los
intervalos en los cuales permite realizar la recarga de las baterías, a partir de los
excedentes de energía. Las variaciones comprendidas entre las curvas de demanda en
AC y los balances de energía entregada por los convertidores están relacionadas con las
tolerancias de los elementos resistivos, las eficiencias tanto de los convertidores como
del inversor, y el SOC de la batería del VE.
6.3 Prueba funcional del emulador con gestión
En este apartado se muestran los datos obtenidos del emulador de la microrred
operando bajo diferentes condiciones de generación a partir de una curva de demanda
correspondiente a un día. Se comparan los resultados medidos en el emulador con los
resultados calculados, los cuales sirven como punto de referencia para evaluar el
emulador implementado.
A continuación se presentan los resultados obtenidos al incluir en el emulador de la
microrred residencial un sistema de gestión de la demanda, basado en el principio de
deslastre de carga, a partir de la priorización de cargas.
6.3.1 Caso 1: Irradiancia 24 de Noviembre
La Figura 59 permite observar el comportamiento del equipo con la integración del
sistema de gestión. Esta prueba se realizó a partir de las 18:00 horas hasta las 17:59
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia de salida SEPIC Potencia de salida Bateria Potencia demandada medida
72
horas del siguiente dia emulado, es decir que el emulador inicio su operación bajo
condiciones nulas de irradiancia, con el fin de evaluar tres diferentes puntos de partida
para los tres casos propuestos. De acuerdo a la gráfica, la variación presentada a las
18:00 horas corresponde a un deslastre de cargas de prioridad baja para estabilizar el
nivel de tensión de la batería FV y garantizar la continuidad del servicio. Por tanto, las
cargas deslastradas permanecen en el estado de inhabilidad hasta tanto no se detecte
una inyección de energía que permitirá realizar su ingreso paulatinamente.
En el periodo comprendido entre las 06:00 y las 17:00 horas se evidencia un aumento
en el nivel de tensión en el barraje de 12V. Este fenómeno está relacionado con la
energía disponible en el grupo generador FV (fuente Agilent), y permite la activación de
las cargas anteriormente deslastradas, reflejándose en variaciones mínimas en cuanto a
la comparación del perfil de demanda estimado y la curva de potencia demandada
medida.
Figura 59 Potencia deslastrada y nivel de tensión barraje 12V.
De acuerdo con la Figura 60, el recurso proveniente de la irradiancia prioriza el
suministro de energía hacia la carga de la vivienda, entregando el excedente a las
baterías del sistema FV. Para este caso particular se comprobó el deslastre de carga
realizado a partir de la asignación de prioridades a los circuitos de la vivienda. Además,
se observó que el sistema de gestión realmente permite la reconexión de las cargas
deslastradas cuando detecta un valor aceptable de tensión en las baterías FV a partir de
las 07:00 horas.
11,40
11,60
11,80
12,00
12,20
12,40
12,60
12,80
13,00
13,20
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Ten
sió
n (
V)
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia demandada medida Perfil de demanada estimado Tension barraje 12V
73
Figura 60 Potencia desarrollada por dispositivo.
6.3.2 Caso 2: Irradiancia 29 de Noviembre
Continuando con el procedimiento de evaluación del emulador, se hizo uso de la
segunda curva de irradiancia para ser emulada a partir de la fuente programable Agilent.
Esta condición arrojó los resultados presentados en la Figura 61 y en la Figura 62.
Figura 61 Potencia deslastrada y nivel de tensión barrajes de 12 y 24 V
-40,00
-20,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (H)
Potencia de salida SEPIC Potencia Bateria Potencia demandada medida
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Ten
sio
n (
V)
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia demandada Perfil de demanada estimado
Tension barraje 12V Tension barraje 24V
74
Figura 62 Potencia desarrollada por dispositivo.
Esta prueba tuvo como punto de partida las 00:00 horas, lo que quiere decir que la
primera fase del perfil de demanda fue alimentada por el banco de baterías FV. Para las
6:00 horas, se presenta una caída de tensión en el barraje de 12 VDC, pero el aporte de
irradiancia permite proporcionar continuidad al sistema. Sin embargo, para las 14:00
horas la potencia y el nivel de tensión de las baterías FV disponible disminuyen. En ese
momento el sistema de gestión detecta la disponibilidad del VE para operar como
fuente, y por lo tanto realiza la conexión de la batería del VE al barraje de 24 VDC,
imponiendo un valor de 27.3 V con el fin de hacer que el aporte de la batería FV sea
nulo.
Cuando el vehículo está dispuesto como generador se garantiza que solo estén
disponibles las dos cargas con más alta prioridad, que para este caso es el circuito
especial y el circuito de la nevera. Este fenómeno permite reestablecer el nivel de
tensión de las baterías FV. Sin embargo, el sistema volverá a su condición normal luego
de que la energía determinada por la irradiancia permita garantizar la recarga de la
batería FV.
6.3.3 Caso 3: Irradiancia 15 de Junio
Por último se realiza la prueba del sistema de gestión ante una curva de irradiancia que
representa un estado no tan crítico como los casos anteriores. En la Figura 63 se observa
una variación en el nivel de tensión de 12 VDC, perteneciente a la inyección de potencia
realizada por los niveles positivos de la irradiancia. Para este caso el emulador no realizó
ningún trabajo de deslastre y las variaciones observadas a partir de las 17:00 horas son
debidas a la demanda variable presentada por la recarga del VE.
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia de salida SEPIC Potencia Bateria Pout BoostVE Potencia demandada
75
Figura 63 Perfiles de potencia y nivel de tensión barraje de 12V
La Figura 64 presenta los aportes de potencia para los equipos asociados al emulador
de la microrred. Este caso representa una condición optima de operación ya que permite
hacer uso de cualquier circuito eléctrico, además de llevar a cabo la recarga de los
grupos acumuladores de energía a partir del recurso solar, y permite la conexión del
vehículo eléctrico como carga.
Figura 64 Potencia desarrollada por dispositivo.
10,50
11,00
11,50
12,00
12,50
13,00
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
ten
sió
n (
v)
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia demandada Perfil de demanada estimado Tension barraje 12V
-30,00
-10,00
10,00
30,00
50,00
70,00
90,00
110,00
130,00
150,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Po
ten
cia
(W)
Tiempo (h)
Potencia de salida SEPIC Potencia Bateria Potencia demandada
76
6.4 Interface del usuario
Una de las características del emulador es la interfaz con la que cuenta. A continuación
se presentarán algunas de las condiciones de trabajo a las cuales puede ser sometido el
emulador y la forma en que se presentan en su interfaz.
La primera condición se presenta cuando el sistema actúa en horas de la noche (Ver
Figura 65). En este caso, la potencia generada por parte de los paneles es nula y por ello
el sistema se alimenta únicamente por la energía almacenada en las baterías del sistema
FV. Este valor de potencia se visualiza en el cuarto recuadro ((4) P BFV). La potencia
después de pasar por el convertidor Boost se reduce debido a las pérdidas del mismo y
se visualiza en el segundo recuadro ((2) P Barraje 24 V). Finalmente, la potencia que
alimenta las cargas en AC se muestra en el quinto recuadro ((5) P Salida AC) esta
potencia también sufre una reducción debido a las perdidas presentes en el inversor.
Por otra parte, se puede observar que el nivel de la tensión del banco de baterías es lo
suficientemente alto para alimentar toda la demanda que se presenta. También se
puede ver que la batería del VE tiene el nivel de tensión necesario para entrar como
fuente de respaldo, dado el caso que el sistema lo requiera.
Figura 65 Presentación de variables horas de la noche
El segundo caso (ver Figura 66) se presenta cuando no existe generación fotovoltaica y
el nivel de tensión de las baterías del sistema FV es demasiado bajo y por ello la batería
del vehículo eléctrico entra como fuente de respaldo ya que su nivel de tensión está por
encima del umbral requerido para operar en este modo (Sección 4.1 Algoritmo de
gestión energética propuesto).
77
También se puede observar que la demanda es de solo 22 W ya que en este modo de
operación previamente se presentó el deslastre de carga y el VE entra a alimentar
únicamente las dos cargas de mayor prioridad.
Figura 66 Inclusión VE como fuente de respaldo
El tercer caso de operación (ver Figura 67) se presenta al mediodía. El convertidor SEPIC
está entregando la máxima potencia de los paneles como se puede observar en el primer
recuadro ((1) P Generada). La demanda no es tan alta y por ello se puede cargar la
batería, como se puede observar en el cuarto recuadro ((4) P BFV), donde la potencia es
negativa, ya que en este caso el banco de baterías la está absorbiendo.
78
Figura 67 Presentación variables horas del medio día
Se puede notar en el recuadro 6 (Balance) el valor en positivo, ya que toda la energía
que necesita el sistema la está entregando el convertidor Sepic y el restante la está
usando para recargar las baterías del banco del sistema FV.
El último caso que se desea presentar es cuando el VE entra a trabajar como carga para
el sistema, de allí que el valor de tensión de la batería se eleve tanto como se observa
en la Figura 68. En este caso el VE no puede entrar como fuente de respaldo, y se puede
cargar con la potencia entregada por el convertidor SEPIC o con la potencia entregada
por el banco de baterías del sistema FV, siempre y cuando exista la energía disponible
para tal caso.
Figura 68 Presentación VE actuando como carga
79
6.5 Conclusiones del capítulo
Los resultados de las pruebas realizadas en el laboratorio permiten deducir que
las respuestas del sistema dependen directamente del estado de carga de la
batería (SOC) y de la hora en la que se dé inicio a las pruebas, como se evidenció
en el caso de una irradiancia desfavorable para la cual el sistema solo presentó
una interrupción. Esto debido a que la batería utilizada para este experimento se
encontraba totalmente cargada.
Los hábitos de consumo del usuario se ven afectados drásticamente al no existir
un sistema de gestión que realice deslastre de carga y permita habilitar fuentes
de respaldo ante la ausencia en el suministro de energía.
Se evidencia la importancia de realizar cambios en los hábitos de consumo. De
este modo se pueden alimentar cargas que generan un impacto alto en el perfil
de consumo de la vivienda en las horas donde se cuente con un buen recurso
solar, aumentando la posibilidad de suministrar energía a otras cargas en las
horas pico, en especial cuando los sistemas son aislados de la red.
80
81
Conclusiones Finales Conocer los hábitos de consumo de los usuarios, permite enfocar el algoritmo
del sistema de gestión de manera que se reduzca el impacto en el confort del
usuario, en caso de presentarse un racionamiento de energía en el sistema.
Las aplicaciones que permiten la visualización de las variables eléctricas en la
microrred permiten que el usuario conozca la manera en la que se distribuye la
energía y a partir de esto realizar cambios en los hábitos de consumo para
obtener el mayor beneficio de la microrred.
La disposición final del emulador de la microrred permite realizar estudios sobre
el comportamiento e impacto en este tipo de sistemas aislados cuando se
conectan baterías de diferentes capacidades tanto, para el SFV como para el VE.
El emulador de la microrred permite analizar el impacto en el perfil de demanda,
la vida útil de la(s) batería(s) del SFV y el VE al modificar los hábitos de consumo
de un usuario residencial.
El emulador de la microrred permite evaluar el impacto en la recarga de la
batería de un VE en este tipo de sistemas y su funcionalidad como tecnología
V2G.
La demanda del VE está ligada al SOC de la batería. Por ello cuando se conecte el
VE como carga, el impacto dentro del sistema es variante.
Las capacidades de corriente de los sistemas de almacenamiento de energía,
tanto del SFV como del VE, son datos que determinan los tiempos de operación
del equipo emulador de la microrred residencial, ya que establecen los valores
de corriente y la autonomía, en minutos, que pueda adoptar el equipo.
82
Trabajos Futuros A partir de la modificación de los elementos de potencia de los convertidores
DC/DC y del cambio en la capacidad del inversor en el módulo del emulador es
posible el aumento de la potencia general en el sistema.
Una modificación en el sistema de gestión permite estudiar el impacto que
generaría un cambio en el orden de prioridad prestablecido en las cargas según
lo disponga el usuario en este tipo de sistemas aislados de la red.
A partir del emulador de la microrred se pueden desarrollar aplicaciones que
permiten registrar y guardar perfiles de demanda. De este modo se podrá
estudiar el impacto al modificar los hábitos de consumo en este tipo de sistemas.
Desarrollar una aplicación para aplicaciones móviles que permita visualizar en
tiempo real las variables eléctricas dentro de la microrred.
Desarrollar un módulo que permite interconectar el emulador de la microrred
aislada con la red principal de energía.
Desarrollar un convertidor DC/DC bidireccional que permita al VE realizar la
recarga o el aporte de energía desde un mismo punto de la red.
83
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