Diseño, desarrollo y construcción de una micro-red de 5kVA con cargas dinámicas y desequilibrios programables. Parte I: Estructura de maniobra y control de cargas activas regulables

Alcojor Gallego, Javier (2016). Diseño, desarrollo y construcción de una micro-red de 5kVA con cargas dinámicas y desequilibrios programables. Parte I: Estructura de maniobra y control de cargas activas regulables. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño, desarrollo y construcción de una micro-red de 5kVA con cargas dinámicas y desequilibrios programables. Parte I: Estructura de maniobra y control de cargas activas regulables
Autor/es:
  • Alcojor Gallego, Javier
Director/es:
  • Veganzones Nicolas, Carlos
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2016
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La transformación social sufrida en las últimas décadas posiciona la energía eléctrica como necesidad primaria para el desarrollo de las actividades diarias. El alto grado de dependencia de la electricidad obliga a valorar las desventajas del sistema eléctrico tradicional en la búsqueda de nuevas técnicas que permitan hacer frente el incremento de la demanda de forma eficiente y sostenible. El sometimiento de las economías del mundo industrializado, junto con la problemática asociada a la generación de las fuentes convencionales; inducen un fuerte efecto inflacionista a la par que se reduce la actividad económica. Es por ello que ya desde el último cuarto del siglo XX se inicia la búsqueda de soluciones tecnológicas para desvincular la economía mundial del empleo de combustibles fósiles y sustituirlas por el uso de energías renovables. En ese sentido la idea más avanzada es tender a una estructura de explotación de los sistemas eléctricos distribuidos en numerosas células de generación y consumo de mediana o pequeña potencia, que se gestiona de forma autónoma denominados “Micro-Redes" en los que se garantice una mayor penetración de la generación con energías renovables, a la par que calidad, estabilidad y eficiencia se ven incrementados. Numerosos avances se están consiguiendo en el ámbito de las Micro-Redes motivado por la necesidad de “renovación" del sistema eléctrico ante el desarrollo de nuevas fuentes energéticas. En esa línea se desarrollan las actividades científicas del departamento de ingeniería eléctrica a fin de ensayar y concluir posibles teorías futuras. Ante dichos avances, el presente trabajo aborda el diseño, desarrollo, construcción y operación de una Micro-Red a escala de laboratorio. El fin último del mismo es el desarrollo de un sistema que permita ser utilizado en el laboratorio como herramienta para la realización de diversos ensayos sobre Micro-Redes. El objeto de la realización de dicho prototipo es el de reproducir a pequeñas escala, distintas situaciones que pudieren surgir durante el funcionamiento de las Micro-Redes. Se espera de dicha herramienta que sirva para ensayar nuevas estrategias de control para implementar en los sistemas de gestión activa de potencia de los que presumiblemente dispondrán las micro-redes (aerogeneradores, cargas inteligentes,...) y analizar su comportamiento frente a los desequilibrios y distorsiones a causa de las variaciones esperadas en la demanda. Por tanto, el principal objetivo del presente trabajo consiste en el diseño, desarrollo, montaje, construcción y operación de un emulador que represente de manera fidedigna el comportamiento de las micro-redes, a pequeña escala. El proyecto se inicia con un periodo de análisis de documentación bibliográfica sobre estos nuevos sistemas, entendiendo el porqué y el cómo de los mismos. Ello permite definir los requisitos del emulador de forma que se represente lo más fielmente posible el comportamiento del sistema que se pretende emular. El emulador está constituido por tres partes bien diferenciadas: sistema de demanda, sistema de distribución y protección y sistema de control y gestión. La actuación conjunta y coordinada de los mismos permite generar las perturbaciones de las característicasprecisas para realizar estudios de desequilibrios y distorsiones acontecidos durante el funcionamiento de las micro-redes. El sistema de demanda integrado emula las diferentes situaciones posibles de las condiciones de carga de la micro-red. La clasificación más general de las situaciones de carga en función de su evolución da lugar a dos tipos: cargas dinámicas y cargas estáticas. Las primeras se caracterizan por una demanda de corriente y potencia variables en el periodo de funcionamiento; mientras que las segundas demandan un consumo invariable durante el periodo de funcionamiento. Las cargas presentes en nuestro sistema deben permitir generar el mayor grado adecuado de desequilibrio al que puede verse sometida la micro-red, para lo cual se lleva a cabo la integración de las siguientes cargas: Carga dinámica equilibrada: consistente en el empleo de una máquina de inducción alimentada desde un variador de velocidad, con un freno por polvos magnéticos acoplado en su eje. Su integración establece un sistema equilibrado. Carga dinámica desequilibrada: la generación de desequilibrios pasa por la integración de cargas variables diferentes a cada una de las fases. Para ello se realiza la conexión monofásica de máquinas de inducción con freno acoplado en el eje. Debido al empleo de máquinas trifásicas, resulta necesario reconfigurar su conexionado y la conveniente instalación de condensadores. Carga estática: el empleo de resistencias monofásicas en el sistema permite emular el comportamiento de cargas activas fijas, cuya demanda de corriente y potencia resulta invariante en el tiempo. La maniobra y el control de los diferentes componentes que conforman el sistema de demanda, permite al sistema reproducir las condiciones para realizar las validaciones y los estudios necesarios. El sistema de maniobra y protección selecciona y protege los elementos que establecen el flujo de energía, mediante la conexión, desconexión y regulación de cargas eléctricas. El empleo de contactores permite controlar de forma sencilla la conexión de las diferentes cargas de forma remota. En lo que respecta a las protecciones, se realiza la instalación de interruptores tetrapolares, bipolares y monopolares tanto en el circuito de potencia como en el de control. El sistema desarrollado debe ser gestionado de forma remota por el usuario de modo que se permita la monitorización instantánea de las variables presentes en el sistema. Por tanto, se desarrolla un sistema de control y gestión localizando el conjunto de las acciones en una unidad de control centralizada. Ello implica la utilización de tarjetas de adquisición de datos y de una interfaz gráfica, para interaccionar con el entorno, realizando la lectura, tratamiento y adaptación de señales. Lo explicado permite afirmar el elevado carácter práctico y experimental del proyecto, en el que las actividades y tareas realizadas en el laboratorio han supuesto aproximadamente el 75% del trabajo, mientras que el 25% restante se ha empleado en el desarrollo de modelos de simulación del sistema que permiten contrastar lo obtenido de forma teórica con lo experimental. El desarrollo del trabajo ha sido estructurado en dos TFG, donde prácticamente la totalidad de las tareas son realizadas cooperativamente y de forma complementaria por ambos alumnos. Ello permite definir una metodología caracterizada por el trabajo en equipo y basada en el establecimiento y cumplimiento de hitos sucesivos. Ejemplos de los mismos son: el control por computador de cargas dinámicas alimentadas desde un variador de velocidad, el control por computador del freno o el desarrollo del algoritmo de control. El desarrollo del trabajo ha sido satisfactorio cumpliendo la totalidad de los objetivos planteados inicialmente. Como resultado final se obtiene un equipo de laboratorio que emula el funcionamiento de una micro-red de 5 kVA donde se puede definir diferentes escenarios de carga, perfectamente controlado desde un ordenador. Adicionalmente, se han realizado un conjunto de simulaciones a través de las cuales comparar el comportamiento teórico proporcionado por los modelos con los resultados obtenidos de forma experimental, permitiendo validar el equipo. La memoria ha sido estructurada de la forma más sencilla posible, intentando garantizar la comprensión de las actividades realizadas. Comienza con una descripción del estado en que se encuentra la integración de las Micro-redes como alternativa de futuro. Posteriormente se detalla el proceso de diseño, montaje y puesta en marcha de los elementos constituyentes de la micro-red que integran la parte del equipo que corresponde a este trabajo fin de grado. Para finalizar se describe el algoritmo de control desarrollado, el análisis de los resultados de la validación del sistema, así como el desarrollo de las simulaciones. Todo lo anterior se encuentra debidamente argumentado, explicado y llevado a cabo garantizando la funcionalidad del conjunto, lo que permite concluir que se han completado de forma satisfactoria los objetivos iniciales del proyecto.

Más información

ID de Registro: 43122
Identificador DC: http://oa.upm.es/43122/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:43122
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 26 Sep 2016 09:59
Ultima Modificación: 11 Oct 2016 15:35
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