Ch-4- Acondicionadores de Potencia

5/10/2018 Ch-4- Acondicionadores de Potencia - slidepdf.com

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4. Acondicionadores de Potencia4. Acondicionadores de Potencia

434



Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia

• Como se ha visto hasta ahora de las características en terminalesde las distintas fuentes de energía alternativa, es necesario utilizarun sistema acondicionador de otencia ara hacer el interface con

las cargas o la red.

entregan en sus terminales una tensión DC o AC de magnitud y

frecuencia variable.

• Además, debido a las características de potencia muchas vecesesporádica es necesario poder integrar al sistema elementos de

durante los periodos de baja energía.

435



Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia

• Los sistemas acondicionadores de potencia pueden serconstruidos para operar tanto en forma

Aislada: En donde la fuente de energía suministra cargaslocales.

Conectados a la red: En donde el sistema suministra energía

a una red de distribución como parte de un sistema de.

436



Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia – – Sistemas AisladosSistemas Aislados

• Sistemas aislados

u z

remotas donde es antieconómico instalar tendidos dedistribución.

Muchas veces en este tipo de sistemas es necesario combinar

diferentes fuentes de energía para poder asegurar el suministro

Es así como se realizan combinaciones hibridas entre panelessolares y generadores eólicos.

O entre generadores eólicos y generadores diesel

437




• Sistema PV aislado

banco de baterías y un inversor.

mientras haya suficiente radiación solar

En caso contrario las baterías suministran las car as

438




Un inversor es utilizado para producir AC a 50/60 Hz, con eficienciastípicas en el rango de 85-95%

Se utilizan diodos segmentadores para aumentar la confiabilidad delsistema.

Para aumentar la confiabilidad del sistema además se utilizaninversores múltiples. Por ejemplo tres inversores con potencia nominal

0.35 p.u. en lugar de un inversor de 1.05 p.u

El mismo concepto es extensivo a bancos de baterías

439




• Sistema eólico aislado

u u u uy

similar a la de un sistema PV.

Este consta de un generador, banco de baterías y convertidorespara realizar la interface.

440




• Sistemas híbridos

u u z u

carga en todo momento es necesario combinar distintos tiposde fuentes de energía.

En la mayor parte de los sistemas híbridos se utiliza un

generador diesel en combinación con paneles PV o generación.

Esto, ya que los generadores diesel son capaces de generar

energ a en forma r pida y suplir la demanda.

Baterías también son utilizadas en los sistemas híbridos parasuplir diferencias de energía momentáneas en lugar de el

generador diesel 441




• En este tipo de conexiones hibridas, a parte de los convertidores

,adicionar una unidad de conexión y flujo de energía paraadministrar los flujos desde las distintas fuentes.

442




Unidad de conexión y flujo de potencia

El sistema debe ser capaz de operar en un amplio rango, de

diesel (o pila de combustible), banco de baterías, generadoreólico o panel PV.

Además debe poder hacer el cambio de fuente de

alimentación de la forma y cuando sea necesario con lo que.

• Monitorear el estado del sistema

• Monitorear y mantener el SOC de las bater as• Puesta en marcha y detención del generador diesel

• Descartar cargas de baja prioridad en caso de sernecesario.

443




El sistema debe considerar los tiempos de respuesta de lasdiferentes fuentes de energía, por ejemplo para conectar elbanco de baterías se re uieren alrededor de 5ms ara cerrar

el switch que las une al sistema.

es necesario seguir un algoritmo mas complejo que en

general tarda unos 20s.

444




• Distribución de carga

u u

operan en paralelo (viento, PV, batería, pila de combustible,diesel, etc) la forma en que se distribuye la carga entre ellos es

.

Si tomamos como ejemplo un sistema hibrido compuesto por un,

debe ser tal que las capacidades nominales de cada generadorno sean sobrepasadas.

445




Para determinar la distribución de carga las dos fuentes deenergía deben ser primero modeladas por medio de sue uivalente Thevenin fuente de volta e e im edancia .

Del modelo tenemos que

Como los dos generadores están conectados en paralelo sustensiones en terminales deben ser iguales, esto es E1 = E2 = E

Además la corriente total suministrada será

446




Las condiciones impuestas por la conexión en paralelo juntocon los parámetros del equivalente Thevenin de las dos fuentesde ener ía determinan la distribución de car a entre las fuentes

de energía (esto es I1 y I2).

grafica, siendo el punto de intersección de las curvas I-V decada uno de las fuentes de energía.

447




Para poder controlar la distribución de la carga es necesariopoder variar la característica I-V de las fuentes de energía.

Esto es sencillo si se utiliza una maquina DC con excitaciónindependiente para la generación eólica.

En el caso de hacer la interface mediante un acondicionador de

potencia, es posible controlar la característica I-V por medio de.

448



Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia – – Sistemas conectados a la redSistemas conectados a la red

• Sistemas conectados a la red

u u

ventaja de poder tomar la diferencia entre la energía generada yla requerida por la carga desde la red.

De la misma forma en el caso de existir un exceso de energía

generada es posible entregar la energía hacia el sistema de.

Esto tiene como consecuencia un aumento en la disponibilidad

de energ a y econom a del sistema de generaci n.

449



Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- Sistemas conectados a la redSistemas conectados a la red

450




451




• Requerimientos de interface

,

se hace a través de un interruptor de sincronización entre el inversor yla red.

La potencia puede circular en ambas direcciones dependiendo de lastensiones que se tengan a ambos lados del interruptor de

sincronización. Debiéndose cumplir con los siguientes requerimientosun amen a es:

Magnitud y fase del voltaje debe controlarse de acuerdo con la

po enc a que se esea en regar La frecuencia del voltaje de red y del sistema de generación deben

ser cercanas (menos de 1/3 de Hz)

suministrar la corriente de magnetización.

452




Los requerimientos de conexión y control de los sistemaseólicos y solares son en general similares.

Sin embargo en el caso de la generación eólica debido a la graninercia del generador, se introducen algunos aspectos

.

Este problema es mas significativo si consideramos que la

ordenes de magnitud mayor a la potencia de los sistemas PV

453




• Sincronización con la red

energía y la red debe incorporar un algoritmo para sincronizarse con lared antes de cerrar el interruptor de interconexión.

Para esto es necesario contar con sensores que permitan medir tanto lamagnitud como la fase de la tensión producida por el acondicionador

de potencia y la red.

El sistema de sincronización debe verificar que se cumplan lassiguientes cuatro condiciones

Frecuencia debe ser cercana (1/3 Hz)Magnitud de las tensiones debe ser 2-3% superior

Secuencia de las fases debe ser la misma

El ángulo de fase entre las tensiones debe ser menos a 5°

454




• Corriente Inrush

v z u u , u

diferencias entre las tensiones producirán una corriente inrush.

Esta corriente es de magnitud considerable en un comienzopero eventualmente decae a cero.

La magnitud inicial de esta corriente depende del grado dediferencia que exista entre las tensiones.

La presencia de la corriente de inrush no es completamentedesventajosa, pues ayuda a que el proceso de sincronización serealice

455




Si tenemos que la diferencia de potencial entre la tensióngenerada por el acondicionador de potencia y la red es ΔVtenemos ue la corriente inrush esta dada or:

Esta corriente es esencialmente reactiva y es principalmente

determinada por el valor de la reactancia sub-transiente del.

456




• Operación sincrónica

v z u z

controlar el voltaje y frecuencia del generador. Donde lafrecuencia de la red es utilizada como referencia.

Si se utiliza un generador sincrónico el voltaje es controlado via corriente decampo. No es necesario controlar su frecuencia pues este permanece

sincronizado mientras no se exceda el Angulo de torque máximo.

Para el caso de la maquina de inducción al aumentar la carga aumentara sudeslizamiento. Si se excede el valor máximo de deslizamiento la carga debe

.

En sistemas de velocidad variable en que se tiene un inversor como salida delsistema el control de frecuencia y velocidad se realiza en forma electrónica. Laes a a e s s ema epen e un amen a men e e se o e con ro a or.

457




• Transiente de carga

v u z u

demanda de la carga la red suministra la diferencia.

Esto produce dos efectos:

En sistemas débiles los generadores desaceleraranmomentáneamente de forma de aumentar su ángulo depotencia. Lo que resulta en una leve variación de frecuencia.

Los conductores en la red suministran mayor carga por loque se produce una caída en la tensión.

458




• Limite Operacional

u y y

los casos corresponde a una línea de transmisión corta quepuede ser representada por una impedancia serie (Z).

Este enlace introduce un limites a la operación del sistema, los

que son regulación de voltaje y el limite de estabilidad.

459




• Regulación de Voltaje

El potencial en el punto de inyección es igual al voltaje de la red

mas la caída de potencial en la impedancia de interconexión.

La re ulación de volta e se define como el aumento orcentual

en la tensión en el extremo receptor para carga máxima y factorde potencia dado.

460




En base al diagrama fasorial tenemos que la regulación detensión es fuertemente dependiente del factor de potencia de lacar a.

Es decir, para una misma carga y distinto factor de potencia la

sumada a la tensión del extremo emisor a distinta fase.

con mayor ángulo de atraso y menor e incluso negativa paracargas en adelanto.

461




• Limite de estabilidad

receptor del sistema depende de la magnitud de los voltajes enlos dos extremos y del ángulo de fase que existe entre ellos.

La potencia entregada por la fuente de energía esta dada por

n ase a agrama asor a po emos encontrar que a corr entepuede ser expresada por

462




Multiplicando la corriente por la tensión en el extremo receptortenemos

Esto es la magnitud de la potencia entregada a la red es función

extremos de la línea.

Si δ es positivo la energía fluye desde la fuente de energía a lared

Si δ es negativo la energía fluye en sentido contrario

463




entre las tensiones es de δ = 90°

perac n pasa o e pun o max e en ace se vue ve nes a e,perdiéndose la operación sincrónica.

464




Por otro lado la potencia reactiva entregada o absorbidadepende de la diferencia entre la magnitud de las tensiones enlos extremos emisor y receptor.

Si V > V la otencia reactiva flu e desde la fuente de ener ía ala red.

s r energía.

por

465




En el caso de utilizar un inversor para hacer la interface entre lafuente de energía y la red es posible controlar P y Q generado

or el VSI

En base a las ecuaciones de potencia activa y reactiva se puede

tener la tensión generada por la fuente de energía.

466




El inversor fuente de voltaje también puede ser operado en lazocerrado en modo corriente.

En este caso la potencia activa y reactiva generada entregadapor el inversor esta dada por

En forma similar al caso del VSI las señales de referencianecesarias para generar una cantidad dada de potencia activa y

reactiva pueden ser calculadas por

467




• Control instantáneo de potencia activa y reactiva

En general las fuentes de energía producen potencia activa y lapotencia reactiva requerida por la carga o el sistema debe ser

genera a por e acon c ona or e po enc a.

En caso contrario el factor de potencia visto por la red puedecaer bajo los limites mínimos, al igual que la tensión de la barra.

468




En un sistema balanceado trifásico las potencias activa (p) yreactivas (q) están dadas por su valor medio mas unacom onente oscilatoria. Las ue están resentes debido a la presencia de armónicas en el sistema.

Los voltajes y corrientes en la ecuación anterior pueden ser

469




En base a estas ecuaciones para poder controlar la cantidad deotencia activa reactiva suministrada or el acondicionador de

potencia es necesario controlar las corrientes iα e iβ de forma

que

)2m = α)2 + β

470




• Almacenamiento de energía y programación de carga

conveniente contar con elementos de almacenamiento deenergía.

De esta forma es posible cubrir las demandas transitorias de la

carga, sin necesidad de tomar energía desde la red.

Para poder elaborar la estrategia de control y programación decarga es necesario tomar en consideración ciertos aspectos.

471




Los principales aspectos a considerar son

El tiempo mínimo de encendido y apagado de unidadestérmicas (generador diesel)

Rampas de subida y bajada de las unidades térmicas

Razón de carga y descarga del banco de baterías

Capacidad máxima de la fuente de energía.

El problema de optimización se plantea de forma de minimizar elcosto de o eración de las unidades térmicas eneración eólica

y PV para encontrar la programación optima.

la carga base debe ser suministrada desde la red.

472




Un ejemplo de costos de producción para un sistemacombinando PV y termal se muestra a continuación

473




• Control de interconexión y Islanding

u u

fuente de energía renovable a una red es la generación de islas(o Islanding).

Esta condición de operación ocurre cuando la fuente de energía

continua alimentando a la red a pesar que una sección de esta.

El Islanding es una preocupación para la administradora de lared puesto que fuentes de energ a conectadas a la red perofuera de la administración de la compañía eléctrica puedencausar accidentes a su personal y variaciones no controladas

.

474




Central Generation

Disconnected

Islanding

475




Mientras el interruptor seencuentra cerrado tenemos quela car a es suministrada or la fuente de energía y por la red

Desde el punto de vista de la

energía son un solo elemento .

La dependencia de lafrecuencia en los terminales dela carga puede ser aproximada

=4%

476

A di i d d P t iA di i d d P t i




Por otro lado los generadores en la red tendrán una variación ensu frecuencia de acuerdo a las políticas de la empresa

Si se modela la carga como un circuito RLC paralelo podemosentonces calcular que la potencia activa y reactiva de la carga

son

477

A di i d d P t iA di i d d P t i SS




Ahora cuando el interruptor de abre, el aporte de la red ΔP y ΔQno esta presente.

El comportamiento del sistema después de que se abre elswitch depende del estado de las diferencias de potencia activa

.

Existen cuatro casos en los que el relé de protección del

478

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia Si t t d l dSi t t d l d




1. ΔP- > 0, esto es la fuente de energía produce menos potenciaactiva que la requerida por la carga. En este caso al abrirse elswitch la tensión en el nodo disminuye, condición que puede serdetectado por el relé de bajo voltaje (UVR) previniéndose el

aislamiento.

2 Δ -2. Δ ,activa que la requerida por la carga. En este caso la tensión en elnodo tras la desconexión aumenta, pudiendo ser detectada por el

relé de sobre voltaje (OVR) previniéndose el asilamiento.

3. ΔQ- >0, lo que corresponde a una carga con factor de potencia enatraso ( inductivo). Tras abrirse el interruptor de acuerdo a lasecuaciones anteriores resulta en un aumento de la frecuencia el

que puede ser detectado por el relé de sobre frecuencia (OFR)previniéndose el aislamiento.

4 Δ. Δ - < , o que correspon e a una carga con ac or e po enc a enadelanto (capacitivo). En este caso la frecuencia se reduce

pudiendo ser detectada por el relé de baja frecuencia (UFR).479

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia Si t t d l dSi t t d l d




0.1

.

over frequency+ΔQ

-0.05

0

.

Δ Q ( p u )

NDZ overvoltage

undervoltage

+ΔP Δ P

-0.4 -0.2 0 0.2 0.4-0.15

-0.1under frequency

−ΔQ

Existen otras posibilidades en que ΔP o ΔQ son cero, es decir la fuentede energía se encontraba suministrando toda la energía requerida por

ΔP(pu)

la carga antes de que abriera el interruptor.

En este caso no es posible detectar la condición de aislamiento porme o e os re s convenc ona es e , , ,

480

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia Sistemas conectados a la redSistemas conectados a la red




Método Operación Deficiencia

Sobre / Bajovoltaje &

Monitorear voltaje y

frecuencia; desconectarcuando estos valores

Existe una zona de no

detección cuando lapotencia de la fuente de

i v

o

frecuencia exce en m e es a ec o energ a es cercano a e acarga

Monitorear salto de fase en el No es efectivo cuando

P a s Detección de

salto de fase

cruce por cero; desconectarcuando se detecta una

diferencia de faseconsiderable

el factor de potencia dela carga es cercano a

la unidad

Monitoreode

Monitorear armónicas devoltaje en terminales;

Prácticamenteimposible definir un

481

armónicasde voltaje

excede limite establecido

va or m e aprop a opara las armónicas





Método Operación Deficiencia

Variación

dePotencia

Perturbar potencia de salida

periódicamente; desconectarcuando el voltaje en terminales

Se requiere

sincronización si es queexisten múltiples fuentesde ener ía en el sistema

v

o s

de salida

Active

Introducir pequeña variación en

la frecuencia de la corriente deNo es efectivo cuando el

A c t i Frequency

Drift (AFD)salida; desconectar si es que sedetecta variación de frecuencia

en la tensión

coincide con el offset de fasede la frecuencia perturbada

SlidingMode

Controlar el ángulo de partida de

la corriente de salida; el sistema

es desconectado or los relés de

No es efectivo cuando elangulo de fase de la cargacoincide con el an ulo de

482

Shift (SMS) sobre / baja frecuencia partida





UL Standard 1741, “Standard for Static Inverters and

Charge Controllers for Use in Photovoltaic Power ys ems

IEC 61727, “Characteristic of Utility Interface”

IEEE 929-2000, “Recommended Practice for Utility

Interface of Photovoltaic (PV) System”

IEEE P1547, “Standard for Interconnecting Distributed

Resources with Electric Power S stems”

483





IEEE 929-2000 Limites de voltaje y frecuenciasegún 929-2000

Operating voltage 88% to 110%

Operating frequency 59.3 to 60.5Hz

cerca de equipamiento yfunciones necesarias

DC current injection < 0.5%para asegurar operac ncompatible de sistemas

fotovoltaicos (< 10 kW)Islanding

conectados a la red.Esto incluye seguridad

El aislamiento debe ser detectadoy el sistema PV desconectado en 10ciclos (o hasta 2 seg para generación

de equipos, calidad deservicio y operación.

484

Basado en IEEE 519-1992





IEEE P1547 provee un estándar uniforme para la

distribución. Esto incluye requerimientos relevantes para el

desempeño, operación, prueba, consideraciones de diseño ymantenimiento de la interconexión.

IEEE P1547 Estándares relacionados: P1589 Estándar relacionado con los procedimientos de

prueba para equipos de interconexión para recursosdistribuidos con la red eléctrica.

1608

Guía de aplicación para el estándar IEEE Standard

1547, Interconexión de recursos distribuidos con el sistemaeléctrico de potencia

485





Ejemplo de interconexión de un sistema de base a pila decombustible

Source Non-Critical

Loads

Inverter

Critical

Loads

Static Transfer

Fuel CellStack

Limites abnormales segun P1547 de frecuencia y voltaje

Switch

Over/under voltage limit ±5%

Operating frequency 59.3 to 60.5Hz

486

< .

Inverter output frequency tolerance ±0.25Hz





Sincronizacion Islanding Limite armónicos

IEEE P1547

ncron zac n no e eproducir variaciones devoltaje en la red mayoresa > ±5%

s an ng e e serdetectado y sistemadesconectado en untiem o no ma or a los 2

SCR (Iscr/ILoad) < 20

h < 11 4.0

asa o en

Sincronización debeser capaz de soportar

seg.

Se requiere de un

11<h<16 2.0

17<h<22 1.5

180°

Del switch deinterconexión debe ser

fuente de energía y lascargas locales de la redmientras se suministren

< < .

H > 35 0.3

TDD 5.0

capaz de soportar a lomenos el doble de latensión peak de la red

estas cargas

487




• Generación Distribuida

u upermitió que la energía eléctrica fuera generada en formacentralizada y transportada largas distancias.

Economías de escala en la generación de energía en formamasiva, de forma de distribuir los costos del equipamiento

.

Sin embargo cambios en la economía de los combustibles,mayor conciencia ambiental y la inversi n necesaria entransmisión y generación para cubrir áreas remotas hanfavorecido el desarrollo de la generación distribuida.

488




La generación distribuida hace uso de tecnologías alternativascomo turbinas o motores alimentados con gas natural, biogas,propano, además de fuentes eólicas, hidráulicas, pilas decombustible y paneles PV.

Sistemas de generación convencionales tienen una eficienciaprome o re a vamen e a a, on e se requ eren cua rounidades de energia (carbon, gas natural, petroleo, nuclrar) paraentregar una unidad de electricidad.

En cambio la GD tiene el potencial de ser menos costosas y maseficientes.

Por ejemplo para aumentar la eficiencia de conversión deenergías, si se tiene la fuente de generación cerca del consumoes posible utilizar su calor residual.

489




La habilidad de utilizar el calor residual combinando calor ypotencia (CHP) eliminando las perdidas del sistema detransmisión ermite una eficiencia de conversión de ener ía en el rango de 70-80%.

,que utiliza el calor residual para calentar agua. Este sistematiene una eficiencia de combustible a energía útil cercana al

80%.

490




491




• Propósito de la GD

usiguientes ventajas.

Modularidad: Plantas generadoras tradicionales se apoyan en las

economías de escala para aumentar la eficiencia y reducir costos. Encambio la GD se apoya en la economía de producción para reducir el

.de unidades generadoras de bajo costo, capaces de penetrar mercadosque la generación a gran escala no puede acceder. Este modelo enforma natural produce múltiples unidades de pequeño tamaño.

en n ose a venta a e respon er en orma r p a y oca za a as

necesidades de energía de corto plazo con una inversión pequeña.

492




493




Eficiencia: Las centrales convencionales han desarrollado tecnologías

relativamente eficientes como son las turbinas de gas natural de ciclocombinado. Sin embargo para su funcionamiento es necesario contarcon un suministro constante, seguro y económico a una fuente de gas

natural. Por otro lado la GD utiliza fuentes de energía renovable localesgeneralmente con alta eficiencia de conversión de energía.

Bajas o cero emisiones: La GD utiliza fuentes de energía renovable

que en general son prácticamente libres de emisiones. Sin embargo,,

en combustibles tales como biogás y propano que generan emisiones. A

pesar de esto el nivel de emisiones es bajo puesto que se utilizanmétodos alternativos para el proceso de los combustibles tales como lareformación para producir hidrogeno o gasificación.

494




Seguridad: Esto incluye la confiabilidad del sistema y la calidad del

suministro. La GD produce un sistema que es inherentementeredundante. Esto es cuando un generador local falla, la capacidad delresto del sistema puede suministrar las cargas. Por otro lado la GD

permite mejorar la calidad del suministro previniendo problemas a niveldel sistema. Además debido a la electrónica utilizada en el

en forma local antes de que sean detectados por la carga.

utilizando esquemas tales como peak-load clipping, valley filling, load

shifting, reducción de voltaje (brownout) y reducción de carga. Esto es laadministración de la carga para reducir la cantidad de energía que sepierde en el sistema.

495




En algunos países los consumidores finales pueden instalar GDbasada en fuentes de energía alternativa para reducir suscuentas or ener ía utilizando un rotocolo conocido como net metering (medición neta).

energía alternativa puede ser entregada a la red haciendo girarel medidor de energía en sentido contrario en el caso que la

eneración local sea ma or ue la demanda.

496




Existen tres razones por las que los protocolos de net meteringson convenientes

Mientras mas consumidores residenciales instalen GD permite la

estandarización de los protocolos de net metering mejorando lase uridad calidad de suministro de las instalaciones.

Por otro lado la mayor parte de los consumidores residenciales no

consumen energía durante las horas laborales, por lo que netmetering les permite recibir el valor comercial de la energíaproducida sin tener que contar con sistemas de almacenamiento deenergía.

Finalmente net metering permite un simple y económico medio paramasificar el uso de las energías renovables.

497




498




• Ubicación optima de fuentes de energía distribuida

u u u vde generación corresponderá a pequeñas fuentes de energía.

Por esta razón es critico que los efectos sobre el sistema dedistribución puedan ser evaluados oportunamente para prevenirdegradación en la eficiencia y calidad de suministro.

Por otro lado la instalación de GD en puntos estratégicospermite a las empresas distribuidoras reemplazar inversiones ennuevas l neas de transmisi n y reduce sus costos operacionales

499




• Influencia de GD en perdidas del sistema.

u u ualterando los flujos de potencia por determinadas seccionesmediante la instalación de GD.

Para evaluar el efecto consideremos un alimentador con cargasuniformemente distribuidas, tal que es la carga por

o.

500




• Las perdidas en cualquier sección del alimentador a una distancia“x” desde su inicio están definidas por:

• Ahora si instalamos una fuente de GD instalada a una distancia “y”

estarán dadas por:

• Para poder optimizar las coordenadas de conexión de la fuente deGD necesitamos encontrar un mínimo para esta función

501




• Esto es:

• Evaluando la función anterior podemos obtener entonces que

• De donde tenemos que para un alimentador con carga

es en el punto medio del alimentador

502




• Ahora el caso analizado no corresponde a una línea de transmisiónreal, es decir con cargas en ubicaciones discretas y con consumosaleatorios.

• Sin embargo los resultados obtenidos pueden ser utilizados para

GD y la minimización de perdidas.

• donde se pretende conectar un a fuente de GD en la barra k

503




• Podemos calcular que para que las perdidas sean mínimas en elsistema

• donde I es la corriente inyectada por la fuente de GD y Ik es lacorriente de carga en el nodo bajo consideración.

• Sin embargo esta condición no es apropiada cuando los recursosson utilizados durante un tiempo limitado (ej. solo durante horaspeak)

• Si consideramos la naturaleza variable de la carga y que la GDpuede entregar potencia constante durante el día la condiciónanterior no garantiza, en general, la minimización de las perdidas deenergia. 504




• Naturalmente si se consideran las alteraciones de la carga y lapotencia contante de la GD la ecuación de minimización anteriorentre ara distintos resultados ara diferentes horas del día.

• La diferencia entre el punto de conexión definido para la condición

depende de la curva de consumo de la carga.

• ,coordenadas de conexión de la fuente de GD pueden ser calculadassuponiendo que el generador opera a carga constante durante todo

505




• Donde T es el tiempo en que la GD inyecta corriente al sistema.

• Entonces para encontrar un punto de mínimo tenemos

506




• De la ecuación anterior se obtiene que el punto de conexión de laGD esta dado por

• Ahora asumiendo que la tensión y el factor de potencia en los

durante el periodo T podemos transformar la ecuación anterior en:

• Donde Wd es la energía generada por la GD, T el periodo de tiempoy Wo la energía consumida por el sistema.

• Esto es el unto optimo de conexión de la GD depende de lacantidad de energía generada y de la energía consumida por lascargas conectadas al alimentador.

507




• Esto es para definir el punto de conexión de la GD es necesarioconocer el flujo de energía en base a los consumos conectados alos transformadores de distribución. e . durante todo el eriodo T

• Entonces desde el punto de vista de la minimización de las

de el transformador de distribución k que satisface

• Donde Wk es el consumo de energía en el transformador dedistribuci n k durante el periodo T; y es la sumatoria del

consumo de energía de todos los transformadores situadosdespués del punto k

508




• Como ejemplo consideremos un sistema con 15 transformadoresuniformemente distribuidos, cada uno de ellos con curvas de cargadiarias como la indicada en la fi ura.

• Si la fuente de GD tiene los siguientes parámetros

Sn = 600 kVA

I = 25 Acos φ = 1

n = .

509




• El resultado del calculo para puntos adyacentes 9 al 14 es:

• El valor mínimo de Pmax (considerando el modelo de alimentadordistribuido) y mínimo W (considerando el consumo durante el día)indican que para reducir las perdidas de potencia durante elperiodo de carga peak es razonable conectar la GD en la barra 13.

• Ahora considerando que el consumo de energía diario en los nodosdel sistema es de 1450 kWh, y suponiendo que la DG opera durante

las 23 horas a potencia constante (esto es 14324 kWh), tenemosque el nodo 11 resulta ser el mas conveniente.

510




• Estimación de la influencia de GD en perdidas

u u -transmisión cambian el estado de operación del sistema.

En particular la instalación de GD no solo causa la reducción delas cargas, sino que también cambia su flujo de potenciateniendo un impacto en las perdidas.

Por esta razón al seleccionar el punto optimo de conexión de laGD es deseable estimar su influencia en el sistema de sub-transmisi n.

511




Las perdidas en un sistema en general están dadas por:

Considerando que y que la matriz [Z] es simétricapodemos escribir

Ahora asumiendo que

Tenemos

512




En la ecuación anterior el termino de interés es

Donde los subíndices p y q se refieren a las componentesactivas y reactiva respectivamente.

Ahora asumiendo que I es el vector correspondiente a lascargas iníciales en el sistema y que I´ es el vector después deintroducir la GD, entonces tenemos que la reducción enperdidas esta dada por

513




Esta ecuación puede ser simplificada

Ahora considerando que

Donde ΔI es la reducción de car a en uno de losΔ transformadores en el sistema debido a la conexión de GD

514




Generalizando los resultados, es posible plantear una ecuaciónpara calcular las alteraciones en las perdidas de potencia en laslíneas del sistema de sub-transmisión debido a la incor oración de GD

En la practica, debido a la operación separada del sistema detransmisión y de distribución, muchas veces es difícil contar

.

Para solucionar este problema habitualmente se utiliza el

sub-transmisión

515




• Modelo utilizando diseño experimental

x ucambios en la función de respuesta del sistema debido a

alteraciones en sus factores.

En general dos niveles de factores son utilizados, los quecorresponden a sus valores máximos y mínimos (xp

+, xp-).

Al considerar todas las posibles combinaciones de nivelesfactoriales es necesario realizar N = 2k pruebas (donde k es elnumero de factores) para construir el modelo

516




Los valores normalizados para los factores son definidos por

Donde xp0 son factores comunes y Δx son factoresdiferenciales.

El modelo del sistema puede construirse utilizando

517




Donde los coeficientes de la ecuación están dados por

Obviamente al incrementar el numero de factores también aumenta el numero de pruebas necesarias para la construccióndel modelo

518

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidores



• Como se puede apreciar de los casos expuestos, en general para hacerla interfase con la red de una fuente de energía alternativa es necesarioel uso de un acondicionador de otencia.

• En la mayor parte de los casos el acondicionador de potencia esta

compuesto de dos etapas, un convertidor DC-DC y un inversor.• Para la correcta operación del acondicionador de potencia es necesario

controlar las diferentes etapas de este apropiadamente

Car a

ontro ontro

FuenteAlternativa

Inversor

519




• Prácticamente para todos los tipos de fuentes de energía alternativa esnecesario que el acondicionador de potencia incorpore una etapa DC-DC.

• bornes de la fuente de energía.

• Para esto existen diversas topologías de convertidores

Fuel Celland

Cf

Ns1 +

D2

+

Vin

Np

Co

Lo

Vo

Q1 Q3

Puente completoPuente completoBoostBoost

Reformer

-

Ns2 D1

-

Q2 Q4

FlybackFlyback PushPush--PullPull

520


ACCESSORYLOADS



VFUEL

LOADS _

DC-DC DC-AC

120V/240V60Hz

a

b

Output

Filter LCDC-AC

Battery

STACK

Gate DriveHydrogenPWM

Ia

Ib

Va

Vb

Idc

Loadn

Fuel Ce llController

npu

DC-AC

Control BlockFor Voltage & Current

Output Power

Calculator &Ref. Generator

Fuel cell power conditioner control system for powering

dedicated 120V/240V load. Note: Additional energy source such as a battery may be

requ re or a s an a one oa .

521


ACCESSORY Start up Power



Ls

LsFUEL

ACCESSORY

LOADS _

DC-DC DC-AC

Start-up PowerController

Transformer

C

Ls

VdcCELL

STACK

Gate DriveHydrogen I *V

dSVPWM

Ia Ib

A

Va Vb

Idc

B

Electric UtilityDC/DC Control

Fuel Cell

Control

Input

abc

dq

Id

I *

PI

PIwLsV*d

V*q I

q

wLs

abcdq

PI

Reference SignalGenerator

qq

P*ref

Fuel cell power conditioner control system forsupplying power to the utility (utility interface)

522


+



FUEL DC/DCDC/AC

ACCESSORYLOADS

+

_ BATTERY

STACK CONVERTERINVERTERCAP CAP

HYDROGENINPUT

FUELCELL

CONTROLLER

PWM LOGIC

POWER FROM

Im

IrefVbat _

PI CONTROL CONTROLLER+

ue ce power con oner con ro sys em

for automotive application

523


Consideraciones de diseño



Consideraciones de diseño

- una ganancia de voltaje alta (≈1:10)

El convertidor DC-DC debe ser ca az de o erar sobre unamplio rango de tensiones de entrada (prácticamente 2:1)mientras se suministra carga nominal y mantiene una buenaregulación de voltaje en sus terminales de salida

Se requiere de conversión de energía con alta eficiencia: lasperdidas de conmutación y conducción deben serm n m za as cons eran o a a a ens n y a a corr en e en

sus terminales de entrada

524


En la mayoría de los casos se requiere de aislación galvánica



En la mayoría de los casos se requiere de aislación galvánicapara cumplir con las normas de seguridad y protección a los

.

El ripple de corriente de la corriente de entrada del convertidor-

menos de 15% para ripple de 120Hz).

Almacenamiento de energía adicional uede ser necesario arasuministrar transientes de carga o para compensar por la lentadinámica de algunas fuentes de energía.

525




--

- BoostBoost && BuckBuck--boostboost

- Tipo hibrido : combinaciónTipo hibrido : combinación--

de voltajede voltaje

Convertidores DCConvertidores DC--DC AisladosDC Aislados

- ConvertidorConvertidor PushPush--pullpull

-- Convertidor Puente CompletoConvertidor Puente Completo

Control PWM :Control PWM : modo Voltaje / modo Corrientemodo Voltaje / modo Corriente

526


La función de transferencia considerandoBoostBoost



La función de transferencia considerandola energía asociada a sus estados seobtiene a artir de

BoostBoost

EON = (VIN) * tON

EOFF = (VOUT – VIN) * tOFF

donde tOFF = T – tON.

Igualando

(VIN) * tON = (VOUT – VIN) * (T – tON)

(VIN) * T = VOUT * (T – tON)

* –

VOUT = VIN (1/(1 – d))

VOUT /VIN = 1/(1 – d)

527


PBoostBoost



Pros:

BoostBoost

Bajo Costo

Habilidad de elevar la tensión ni requerir de

un rans orma or

Ripple de corriente relaitvamente grande

Rango de potencia limitado

Estrés de voltaje en los terminales del

semiconductor es igual al voltaje desalida

528


BoostBoost



BoostBoost

529


La función de transferencia considerandoBuckBuck--BoostBoost



La función de transferencia considerandola energía asociada a sus estados seobtiene a artir de

BuckBuck BoostBoost

EON = (VIN) * tON

EOFF = (-VOUT) * tOFF


Igualando

(VIN) * tON = (-VOUT) * (T – tON)

VOUT = -VIN * (tON /(T – tON))

- –

VOUT /VIN =- d/(1 – d)

530


Pros:BuckBuck--BoostBoost



Pros:

Sim leza

ucuc oostoost

Bajo Costo

Habilidad para elevar y reducir el voltaje

No requiere transformador.

Cons:

Riple de corriente de slaida relativamentegrande

Rango de potencia limitado


BuckBuck--BoostBoost



i nRL/Ro=0.01

RL/Ro=0.005

y

V o l t a g e G

[ p . u . ]

RL/Ro=0.02 E f f i c i e n

[ p . u . ]

RL/Ro=0.05

RL/Ro=0.1

532

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidoresn dc-dc converter



- -Pros :

Alta ganancia de voltaje

Cons :No posee aislación

galvánica . .

No requiere transformador

Ripple de corriente reducido

Control complejo

Se requieren dosinductores

533


Convertidor DCConvertidor DC--DC HibridoDC Hibrido boostboost && buckbuck--boostboost



c ency p.u.o age ga n p.u.

RL/Ro=0.02

RL/Ro=0.02

RL/Ro=0.1

RL/Ro=0.05

RL/Ro=0.1

RL/Ro=0.05

DBuck-coostDBoost

DBuck-coost

DBoost

534

TAcondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidoresgain dc-dc converter

La función de transferencia considerandoConvertidorConvertidor BoostBoost de tres nivelesde tres niveles



La función de transferencia considerandola energía asociada a sus estados seobtiene a partir de

EON = (VIN) * tON

*= n –


(VIN) * tON = (Vin –VOUT /2) * (T – tON)

VOUT /2 = VIN * (T/(T – tON))

VOUT = 2VIN (1/(1 – d))

VOUT /VIN =- 2/(1 – d)

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidoresl high-gain dc-dc convert

ConvertidorConvertidor BoostBoost de tres nivelesde tres niveles



i n

V o l t a g e G

[ p . u . ]

536

TAcondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidoreso level high-gain dc-dc

La función de transferencia considerandoConvertidorConvertidor BuckBuck--BoostBoost de tres nivelesde tres niveles



La función de transferencia considerandola energía asociada a sus estados seobtiene a partir de

EON = (VIN) * tON

*= n –


(VIN) * tON = (Vin /2 –VOUT /2) * (T – tON)

VOUT = VIN * (T+tON) /(T – tON)

VOUT = VIN (d+1)/(1 – d))

VOUT /VIN =- (1+d)/(1 – d)

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidoresc-dc converter

ConvertidorConvertidor BuckBuck--BoostBoost de tres nivelesde tres niveles



RL /R = 0.005 RL /R = 0.005

RL /R = 0.01

RL /R = 0.01

RL /R = 0.02

RL /R = 0.02

RL /R = 0.05

RL /R = 0.1

RL /R = 0.05

RL /R = 0.1

538


onver oronver or -- e cua ro n ve ese cua ro n ve es



-

Pros : Alta anancia de volta e

Cons :

Hasta 8 p.u.

No requiere transformador

Ripple de corriente reducido

o posee a s ac on ga van ca

Control complejo

Se requieren dos inductores

Semiconductores adicionales

539

Acondicionadores de PotenciaAcondicionadores de Potencia -- ConvertidoresConvertidores dc-dc converter

onver oronver or -- e cua ro n ve ese cua ro n ve es



RL /R=0.005

Gain [p.u] RL /R=0.005

RL /R=0.02

η[p.u]

RL /R=0.02

RL /R=0.1

RL /R=0.1

540


N

+D

1D

3

L1

onver oronver or usus -- uu



Np1

N VC

+

V

Np2

-Fuel Celland Q Q

D2

D4

C

-

Reformer 2n

completa o de media onda en el secundario

En el caso de utilizar un rectificador de onda completa la función detransferencia de entrada a salida esta dada por

onT4*SN

*VV⎥⎢

= T5.0T0 <TPN ⎥⎦⎣

541


La función de transferencia considerando la




energía asociada a sus estados se obtiene apartir de

EON = (VIN /N – VOUT) * tON

EOFF = (VOUT) * tOFF

donde tOFF = (T/2 – tON) y N es la razon detransformación del transformador

Igualando tenemos

(VIN /N – VOUT) * tON = (VOUT) * (T/2 – tON)

VOUT = 2 * VIN /N * (tON /T)

*=

542


Pros:




Alta anancia de volta e

La frecuencia del ripple de salida es dosveces la fundamental del circuito primario.Por esto se requiere de un filtro de salida demenor tamaño

Cons:

× El estrés de voltaje en los semiconductores

bajos.× Es necesario agregar circuitería adicional“ ”

543


En esta topología los switches SW1 & SW2conducen simultáneamente aplicando una

onver or uen e comp e oonver or uen e comp e o



conducen simultáneamente aplicando una

.

Luego después de un tiempo muerto breve

SW3 & SW4 conducen para aplicar una tensión

El voltaje AC producido es transmitido al

secundario por medio de un transformador de

alta frecuencia

En el secundario un rectificador es utilizadopara volver a generar DC

Un filtro L-C es utilizado para obtener los valores re

r pp e necesar os

La función de transferencia de entrada a salida esta

dada or

VO=2VS * (NS / NP)*d

544


Pros:



a capac a e po enc a

Bajo estrés en los semiconductores

Cons:

× diodos)

×Re uiere de drivers flotantes

×Diseño complejo y de mayor costo encomparación con otras topologías

545




• Convertidor boost asilado de dos inductores

• Alta eficiencia (sobre 90% a plena carga)

• Buena regulación de voltaje de salida

• Ganancia de voltaje primaria – producto de la operaciónalternada de S S inductores L L

• El transformador T2 – proporciona aislación y ganancia de

voltaje adicionalnV

out 41

• a gananc a e vo a e e conver or es a a a por: DnV

o−12

546


S’2

T2

T1

L d

S’2T

2

T1

I2



Load LoadI2

+-

S1

S2

S’1

Vin

Co

I1 I

2

io

+-

S1 S

2

S’1

Vin

Co

1 o

S’2T

2

T1

LoadI1

S’2

T2

T1

LoadI1

a

+-

S1

S2

S’1

Vin

CoI2

o +-

S1

S2

S’1

Vin

CoI

2

o

Estados de operación del convertidor

547




Formas de onda en el primario de T2. Formas de onda en el secundario de T2

548


Push-pull DC-DC Converter: Circuit



Transformador Rectificador Inductor

acoplado

sensa o y con ro

549




11 IntroducciónIntroducción && ConvertidoresConvertidores DCDC--DCDC

22 InversoresInversores

550


Monofásico



Monofásico- Inversor de medio puente

- Inversor de puente completo- u u

Modulación sinusoidal PWM- Monofásica- Trifásica

551


1 hase

ioi

d

Caracteristicas de operacion de cuatr cuadrantes del inversor monofásico



1- haseswitchmode

inverter+

vo

-

vd

-

io

filtervo

io

v

1Inverter

2Rectifier

4 1 2 3

4Rectifier

3Inverter

Durante los intervalos 1 y 3, el flujo de potencia es desde el

lado DC al ACDurante los intervalos 2 y 4, el flujo de potencia es desde ellado AC al DC.Es decir el flujo de potencia puede ser bidireccional.

552


Voltaje de salida



AO dc A+ VAO = -Vdc /2 cuando TA- esta on

Ratin s de los semiconductoresTA+

Vdc

2

+

rating de voltaje : Vrate = Vdc

rating de corriente : Irate = I eak

+V

dc

-

A-

o

TVdc

+

io

+

Máximo voltaje de salida2

-

N

-

AN

Vmax = Vdc /2

553


Modulación PWM monofásica: Modulación BipolarModulación PWM monofásica: Modulación Bipolar

Carrier wave, Vtri(Frequency, f

tri)

Reference voltage, Vcontrol(Frequency, f

control)



0 t

Si Vcontrol>Vtri, TA+ esta on, y si Vcontrol<Vtri, TA- is on.

Ciclos de trabajo son variados en forma sinusoidal ysincronizados con el voltaje de referencia (Vref)

donde, d(t): funcion de trabajo,

,)tsin(V)t(V mcontrol ω )tsin(m5.05.0)t(d a ω

ma: n ce e mo u ac on, control tri

554


Fundamental of VAO OutputChopped voltage VAO

Vdc



0 t

+

TA+V

dc

2

+

-io

L

Vdc

2

2/V

)V( hAo

∧

Harmonics h of V

Vdc

-

Ao

TA+

Vdc

2

+ +

VAN

0.6

0.8

1.0

1.2 15m,8.0m f a =-

N

-

1m0 ≤

0.0

0.2

0.4

f m2f m+ +

f m3+

11

tri

f f

f

m =f + f + f +

555


ma 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0Armónicas generalizadas de VAO para mf mayor



h

mf

±

1.242 1.15 1.006 0.818 0.601

±

mf ± 4 0.018

2mf ± 1 0.190 0.326 0.370 0.314 0.181

2mf ± 32mf ± 5

0.024 0.071 0.1390.013

0.2120.033

3m 0.335 0.123 0.083 0.171 0.113

mf ± 2

mf ± 4

±

0.044 0.139

0.012

0.203

0.047

0.176

0.104

0.162

0.157

f ± . .

556

∧


2/V

)V(

d

1Ao

4

Vtri

Vcontrol



π)278.1(=

π

1.0

0 t

Over-modulation Square-

wave

Linear

Vdc

2

0 t1.0 3.24

0 t

Vdc

2

Sobremodulacion:

- Mayor componente fundmanetal- contiene armonicas de ba o orden

f

∞am1

- componente fundamental no varia linealmente557


DB+TA+DA+ TB+

Vdc

2



O

+Vdc

-B

i

Vdc

A

DB-TA-

DA-TB-

2

Secuencia de conmutación unipolar

TA+ esta on cuando Vcontrol>Vtri

B- - control< tri

TB+ esta on cuando -Vcontrol>Vtri

TA- esta on cuando Vcontrol<Vtri

558


Carrier wave, Vtri

Fre uenc fReference voltage, V

control

rcontro



V

rcontro

0B+

O

+V

dc

-B

A+ A+ B+

Load ib2

AdV

DB-

TA-

DA-

TB-

Vdc

2

Fundamental of VAO

Output

dV

vo ageAO

559


Carrier wave, Vtri(Frequency, ftri)

Reference voltage, Vcontrol(Frequency, f

control)

Carrier wave, Vtri

(Frequency, ftri)

Reference voltage, Vcontrol

(Frequency, fcontrol)



0 t0 t

AO

dcVBOV

dcV

Outputvoltage V

AB

dV

VAB

= VA

- VB

Fundamental of VAB

dV

560


arr er wave,tri

(Frequency, ftri)

Reference voltage, Vcontrol

(Frequency, fcontrol)



DB

+

TA+DA+ TB+

Load ib

Vdc

2

0 t

DB-

OVdc

-B

TA-DA-

TB-

Vdc

2

AdV

Fundamental of VAO

dV

Output

Voltage VAO

.

561


OutputChopped voltage V

AO2

Vdc



V

Fundamental of VAO2

c

d

hAO

V

)V(∧

Harmonics h of f

0.6

0.8

1.0

1.2

0.0

0.2

0.4

f m2f mf m4f m31

)1m2( f − )1m2( f +562


TA+ TB+

Vdc

2

+

Output Filter

A



+Vdc

- TA- TB-

-o

V

+

C

A

B

2

-

N

Voltaje de enlace Dc dividido

Dos semiconductores por fase;V240Vand180120V,0120V =

Semiconductores especificados para VDC563


TA+ TB+

Vdc

2

+

Output Filter

A



+Vdc

- TA- TB-

-o

V

+

C

A

B

2

-

Voltaje de condensadores (Vdc/2) debe estar balanceado,de no ser así el unto neutro se desvía.

N

Mayor tamaño de condensadores.

Menor numero de semiconductores.Diseño de menor consto.

564


I DC

Inversor suministrando una carga lineal de 5Inversor suministrando una carga lineal de 5 kWkW//phph (carga lineal)(carga lineal)



O

+

Vdc-

Vdc

2

V

AB

Lf

Lf

IA

IB

Linear

Load

c

2- Cf Cf

N

5kW/ph

565


Vdc

2 LfIA

I DC

Linear

nversor sum n s ran o una carga nea enversor sum n s ran o una carga nea e pp carga neacarga nea

+Load



OVdc

-

Vdc

2

A

-

B

Lf

Cf

Cf

IB

Load

N

566


I DC

Inversor suministrando una carga lineal de 5Inversor suministrando una carga lineal de 5 kWkW//phph (carga lineal)(carga lineal)



O

+

Vdc

-

Vdc

2

A B

Lf

L

IA Linear

Load

dc

2- Cf Cf

N

120Hz

567


V

I DC

nversor sum n s ran o una carga e en a ase- m en ras a ase- se

mantiene abierta (carga lineal)

2 Lf IA Linear



O

+

Vdc

-

Vdc

2

A

-

B

Lf

Cf Cf

IB

ea

Load

N

568


V

I DC

nversor sum n s ran o una carga e en a ase- m en ras a ase- se

mantiene abierta (carga lineal)

2 Lf IA Linear



O

+

Vdc

-

Vdc

2

A

-

B

Lf

Cf Cf

IB

Load

60Hz

N

120Hz

569


Vdc

2 LfIA

I DC

Non-Linear

Inversor suministrando una carga no lineal de 5 kW/ph

O

+

V A B

Load



OVdc

-

Vdc

2

A

-

B

Lf

Cf Cf

IB

N

570


Vdc

I DC

Inversor suministrando una carga no lineal de 5 kW/ph

+

2 Lf A -

Load



OVdc

-

Vdc

2

A

-

B

Lf

Cf Cf

IB

N

571


I DC

Inversor suministrando 5Inversor suministrando 5 kWkW en faseen fase--A mientras faseA mientras fase--B se mantieneB se mantiene

abierta (Carga no lineal)abierta (Carga no lineal)

Vdc

2 LfIA Non-Linear



O

+

Vdc

-

2

Vdc

2

A

-

B

f

Lf

C C

IB

Load

N

572


I DC

Inversor suministrando 5Inversor suministrando 5 kWkW en fase A mientrasen fase A mientras fásefáse--B se mantieneB se mantiene

abierta (Carga no lineal)abierta (Carga no lineal)

Vdc

2 Lf IA Non-Linear



O

+

Vdc

-

Vdc

2

A

-

B

f

Lf IB

Load

-

N

573


Output Filterb



Output Filter+

-

VDC

a

n

Se utilizan seis IGBT.

574


VV

control, AV

control, BV

control, C

Three–Phase SPWM Principle



0 t

Una portadora triangular es comparada con tres referenciassinusoidales desfasadas en 120°.

Switching idéntico a un inversor de medio puente.

575


-idc ia

esempe o e nversor r s coesempe o e nversor r s co

Inverter R-L Loadvabib



b

ic

ia, ib,y ic

vab

576


3-phase

Inverter R-L Load

dca

vabib

ic



idc FFT de idc

Para carga balanceada la corriente en el enlace DC no contienecomponente de 2da armónica (120Hz).

El tamaño del condensador en el enlace DC uede ser e ueño

577


Output Filter+b



p+

-

VDC

a

n

El tamaño del condensador en el enlace DC es menor.No es necesario contar con un enlace DC dividido.

condensadores en el enlace DC.

578


TA+ T

B+T

C+

Vdc

+

Output Filter

nversor e res p ernasnversor e res p ernas -- w c con conex on e neu row c con conex on e neu ro

AC Load+

A

B-

o

L



orGrid Connection

Vdc

-

B

C

o

Vdc

+C

TA- T

B-T

C-2

-

N

Las corrientes de carga circulan por los condensadores en elenlace DC. Por esta razón los condensadores deben serseleccionados para minimizar el voltaje AC en sus terminales.

La conexión asegura que la carga sea suministrada conens ones a ancea as aun cuan o es a sea es a ancea a.

579


TA+ TB+

A

TC+

L

Output FilterTN+



AC Load

or

+

Vdc

A

Bo

L

Grid Connection-

TA- TB- TC-

C C

TN-

L

El otencial de neutro es benerado or los IGBTs T T -

N

La corriente en el condensador del enlace DC presentan armonicas

de meyor frecuencia.

580

ZZ--source converter modelingsource converter modeling

L o a



• Idealmente la ganancia del inversor fuente de impedancia puedencontrolarse or medio de la duración del estado de short-through

del inversor fuente de impedancia. Permitiendo obtener valoresmuy elevados

• Sin embargo si se consideran las perdidas en las resistencias

parasitas en los distintos componentes del inversor el máximovalor de ganancia de volta e que puede obtenerse se ve reducido.

581


• Para calcular la ganancia devolta e del inversor fuente de impedancia operando en modod d ió ti



de conducción continuase

debe considerar sus dosestados.

• Para esto se debe calcularademás las corrientes yvoltajes promedio de

.

582


Para el estado de short-throughdel inversor fuente deimpedancia se tiene que



impedancia se tiene que

iV = 0 ST C L

I I I +=

LST I I 2=

L Lc L−= =+

C L

583


Ecuaciones de voltaje

L L LC i I RV V V −−=



L LC S L I RV V V

−−=

Ecuaciones de corriente

C LSI I I +=

I I I +=

de transferencia de energíadel inversor fuente de

ecuaciones pueden

derivarse

584


• Considerando que el estado de Shot-through se aplica por untiempo To y el estado de transferencia de energía es aplicado porun tiem o T1 la corriente romedio de condensador volta e promedio de inductor y voltaje de entrada al inversor están dadospor



por

0)( 1=−+−>=<

T

T I I

T

T I i

o L

o

Lc

1=−−−=

T T o

T T s

T

T V V

T

T v

SC

o

i

1)2(0 −+>=<

• De estas ecuaciones puede obtenerse que la corriente en

los inductores es

o

o

LI

T T I

−=

1

1

585


1=

2

21

)(21 L

TT

T

R

R+



1 )(oo T T R −

• Es posible calcular la eficiencia delinversor a partir de la ecuacion de gananciade voltaje

• Se puede observar que en el case denecestiar grandes ganancias de voltaje lae c enc a e nversor cae rap amente.

• Ademas se puede observar que paraalcanzar grandes gananacias de voltajeesnecesar o poner espec a cu a o en edseño de los inductores.

586


Inversor Fuente de impedanciaInversor Fuente de impedancia



Vo = 120 VrmsVDC Link = 100 VdcRipple 9%

Vin = 30 Vdc

Iin = 26 Arms

ILoad = 7.79 Arms

587


1:5 L IDC

Ejemplo de Diseño de in InversorEjemplo de Diseño de in Inversor

FUEL CELL

120/240V , 60 Hz Iin

T+

C Lb

VC+

TA+ T

B+ LF i

a

A

u pu

Vin

D1 D3

N1

N2V

batt



42-72V DC

48V nom.

+

- C VDC LF ib

240V, 60Hz

in N1

T-

L

-

CL

b

VC -

TA - T

B -

CF

CF

B

N

Vb

Va

120V, 60Hz

D4 D2

N1

N2V

batt

48VDC / 400VDC, 40KHz PUSH PULL CONVERTER 120V/240V, 20kHz PWM INVERTER Battery Backup

(Optional)

Potencia de salida: 10kW continuos,

Voltaje de salida: Van=120V, 60Hz, Vab =240V, 60Hz dc

588


FUEL CELL

120/240V , 60 Hz Iin

T+

1:5 L

+

C Lb

VC+

TA+ TB+ L

F ia

A

AC Output

V

D1 D3N2

IDC

Vbatt

42-72V DC 48V nom.

+- C V

DC

CL

b

V

LF i

b

B

V

240V, 60Hz

N1

N2



-

VC -

T - T

CF

CF

Vb

Va

120V 60Hz

D4 D2N2

Vbatt

48VDC / 400VDC, 40KHz PUSH PULL CONVERTER

-

L

-

N

120V/240V, 20kHz PWM INVERTER Battery Backup

(Optional)

Especificaciones del InversorAlimentación Pila de combustible: 48Vdc nominal (puede

Eficiencia energética: Mayor a 90% para una carga resistiva

de10kW

589


FUEL CELL

120/240V , 60 Hz Iin

T+

1:5 L

+

C Lb

VC+

TA+ TB+ L

F ia

A

AC Output

V

D1 D3N2

IDC

Vbatt

42-72V DC 48V nom.

+- C V

DC

CL

b

V

LF i

b

B

V

240V, 60Hz

N1

N2V



-

VC -

T - T

CF

CF

Vb

Va

120V 60Hz

D4 D2N2

Vbatt

48VDC / 400VDC, 40KHz PUSH PULL CONVERTER

-

L

-

N

120V/240V, 20kHz PWM INVERTER Battery Backup

(Optional)

Especificaciones del Inversor

Distorsión armónica total: menor a 5% al suministrar una

carga no lineal estándar

Voltaje de salida con tolerancia no mayor a ±6% en todo el

rango de vacio a plena carga

Regulación de frecuencia: 60 ± 0.1Hz

590


La componente fundamental del voltaje de salida del inversoren la fase A es

VDC



1m0t),sin(ωm)(V a1

DC

a1AO <<⋅=

La funcion de transferencia sw1 del inversor de medio puente= a .

frecuenciaaltadeterminos++= tsinω2

0.5sw 1a

1

591


Se asume que la corriente en la fase A contiene componentes

fundamental y de tercera armónica, tenemos

...)φtsin(3ωI2)φtsin(ωI2i 313111oA +−+−=



La corriente a travez del switch TA+ esta dada por

22

iswi oA1sA

−−

⋅=

[ ] [ ])φtcos(3ωcosφI20.9φtcos(2ωcosφI20.9

...22

31331111

313111

−−+−−+

592


Si Irms

el el valor rms de la corriente de carga en la fase a, ydespreciando términos de alta frecuencia, tenemos

2

3

2

1rms III +=



Asumiendo que I3=0.7*I1 lo que es típico para una cargano lineal tipo rectificador de diodos:

1rms I*1.22I =

593


Al suministrar plena carga, es decir 5000VA por fase a

factor de potencia unitario,

A7.41120

5000I rms =



A3422.1

.I1 =

Para un ripple de voltage ΔVc de menos de 5% o 10V,tenemos

I i ;

i ΔV 1

c,rms

c,rms

c==

F μ 5004 17 i

C c,rms ≅==c

⋅⋅

594


Ratin s de los semiconductoresRatin s de los semiconductores

La corriente rms isA es 41.7A. Entonces, cada switch debeestar rateado ara una corriente rms de

A307.41

I T =



2

La especificacion del voltaje de cada switch es

V400VV dcT =

Entonces se puede slecionar un IGBT IXSH24N60 (600V, 48A).

595


PWM Control with DSP: TMS320LF2407

Power deviceAnalog Inputs



ADC channelsEvent Manager Module

PWM channels

Timers

TMS320LF2407 DSP Core

30MHz Other Modules:Flash

Clock

SPI,SCI,CANROM

596


Diseño del filtro de salida:

Dimensionamiento del Filtro AC: Inductor y Condensador

Inverter Nonlinear

Lf



LoadC

fVdc

-o

La consideracion basica al diseñar un filtro es atenuar.

Minimizar los kVA del inversor.

Minimizar el costo del filtro.n m zar e peso y tama o e tro.

597


Inverter NonlinearLoad

Lf

+C

fVdc

-o



La carga típica para aplicaciones residenciales y

computadores, etc.) por lo que inyecta armónicas3,5,7

Supocisión:

el filtro de salida es libre de perdidas, y la corriente de

fundamental.598


jnXL

-jXCZVo,nVi,n LOAD



n L,n

La funcion de transferencia de un filtro L-C es

)1()XXn( jZXnX

Z jX

V

VH

CL2n,LCL

n,LC

n,i

n,o

n

−

⋅−

599


Para H1 1; o ,entoncesCL XX <<

)2(1X jZ

HC1,L

1,LC

1 ≅⋅

⋅≤



, ,entonces la ecuación (1) queda

n L,

( )31X

H2

Cn =−=

Para satisfacer los requerimientos de THD de1Xn

n

C

L2CL

−⋅

−

menos e

(4)23.222X;0.0451 2L ≥≤

1X

n C

C

L −

600


Para la carga no lineal lafunción de transferenciaesjhX

L



-jXC

hVh Ih

)5(IXhX

V h

L

2

C

CLh ⋅

−⋅

=

""

armonica:heequivalentvoltaje:Vh

60Hz)inductiva(reactancia:X

60Hz)capacidad(:X

L

C

h

601


De (5) tenemos

(6)I*X

hXV h

L2

Lh =



h1−

Donde es pequeño, entonces ,

XC

C

L

X

X1

X

Xh

C

L2 <<

hLh IhXV ⋅

,

(7)3%or0.03V

VisTHDwhere,V

IX3

V

V 33L

3

=⋅⋅

=

602


10kVA 5KVA or fase inversor mono fásico

EjemploEjemplo de diseño del filtro dede diseño del filtro de salidasalida

V1 = 120V, esto es I1 = 41.67A, fs = 20kHz,f = 60Hz, y n= f / f = 333.33, THD= 3%.



1 s 1

Usando la ecuación(4)

4L 10*09.2X −≥

La frecuencia de resonancia del filtro es

C

nXf 2

4150Hzf

69.1723.222Xf L1

r

≈

≤≤=

603


I3 = I1 *0.8 = 25.95A y de la ecuación (7),

XL = 0.046XL=

H123

f 2 1

μπ



Usando ecuación (4) para encontrar la impedancia del condensador,XC = 221.26

Xf 21C

C1

μ⋅

μ

604

Ch-4- Acondicionadores de Potencia

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