Hardware in the Loop del sistema de control y comunicaciones de un parque fotovoltaico

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado de Ingeniería de Tecnologías Industriales Hardware in the Loop del sistema de control y comunicaciones de un parque fotovoltaico Autor: Francisco José Carballo Ortiz Tutores: Francisco de Paula García López y Andrei Mihai Gross Muresan Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 iii Trabajo Fin de Grado Ingeniería de Tecnologías Industriales Hardware in the Loop del sistema de control y comunicaciones de un parque fotovoltaico Autor: Francisco José Carballo Ortiz Tutor: Francisco de Paula García López Profesor titular Andrei Mihai Gross Muresan Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Proyecto Fin de Grado: Hardware in the Loop del sistema de control y comunicaciones de un parque fotovoltaico Autor: Francisco José Carballo Ortiz Tutor: Francisco de Paula García López, y Andrei Mihai Gross Muresan El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii A mis padres y mi hermana A mis amigos A mis profesores y compañeros ix Agradecimientos En estos 4 años de grado, quiero dar gracias por las distintas experiencias vividas que me han hecho crecer personalmente. Sin embargo, todos estos cambios hubieran sido más difíciles sin el apoyo de mis padres y de mi hermana, también de mis amigos y compañeros, con los cuales he celebrado cada pequeña victoria. En otras palabras, quiero agradecerles a ellos, las personas que siempre han estado ahí conmigo a pesar de no haber pedido su ayuda. Claramente no me olvido de Paco, Manolo y Andrei, a los que quiero a agradecer por haberme dado la gran oportunidad de realizar un proyecto innovador en el que no solo he aprendido sobre mi rama de conocimiento, sino que he afrontado los problemas que nunca se ven en clase como comunicar dispositivos y el gran problema de pasar números negativos con decimales. Además, también mencionar con la simpatía que se me ha tratado en el laboratorio tanto por ellos como por las personas que están allí. Por último, gracias por ofrecerme esta oportunidad en la que he descubierto mi gusto por la investigación. Francisco José Carballo Ortiz Sevilla, 2024 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1. Características del POI 29 Tabla 2-2. Parámetros de las líneas de MT 30 Tabla 2-3. Datos para los cálculos 31 Tabla 2-4. Parámetros de los transformadores en p.u. 32 Tabla 2-5. Parámetros de las líneas de BT 32 Tabla 2-6. Parámetros del inversor SUN 2000-330KTL-H1 33 Tabla 2-7. Parámetros del módulo fotovoltaico 34 Tabla 2-8. Parámetros cables de corriente continua 34 Tabla 3-1. Modificaciones para la carga de ficheros 37 Tabla 3-2. Rangos de los INT16 en UINT16 46 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Emisiones contaminantes en España por la generación eléctrica 23 Figura 1-2. Evolución de la potencia instalada en España 24 Figura 1-3. Crecimiento en general de las energías renovables en España 24 Figura 1-4. Diagrama de flujo con los objetivos 27 Figura 2-1. Cable de MT 30 Figura 2-2. Esquema unifilar de la instalación de MT 30 Figura 2-3. Transformador de la planta 31 Figura 2-4. Modelo en T de los transformadores 31 Figura 2-5. Inversor de la instalación 33 Figura 3-1. Ordenador en tiempo real Opal-RT 5600 35 Figura 3-2. Pantalla del modelo en RT-LAB 36 Figura 3-3. Pantalla de ficheros en RT-LAB 37 Figura 3-4. Primer nivel del modelo 38 Figura 3-5. Consola durante la simulación 38 Figura 3-6. Modelo de los inversores y placas fotovoltaicas 39 Figura 3-7. Esquema desde un inversor al cuadro de baja 40 Figura 3-8. Modelo de la instalación lado de baja tensión del CT1 40 Figura 3-9. Modelo de MT de la planta fotovoltaica 41 Figura 3-10. Subsistema de tratamiento de medida 42 Figura 3-11. Visualización del selector de medidas 42 Figura 3-12. Bloque encargado de la escritura 43 Figura 3-13. Perfil de generación 44 Figura 3-14. Ejemplo de red de Modbus 45 Figura 3-15. Consigna de reactiva que se recibe por Modbus 47 Figura 4-1. Tensión en el POI 50 Figura 4-2. Intensidad inyectada en el POI 51 Figura 4-3. Potencia activa inyectada en el POI 51 Figura 4-4. Potencia reactiva inyectada en el POI 52 Figura 4-5. Factor de potencia en el POI 52 Figura 4-6. Tensiones en el CT2 53 Figura 4-7. Intensidades inyectadas por los inversores 54 Figura 4-8. Potencia inyectada por las placas fotovoltaicas 54 Figura 4-9. Potencias reactivas inyectadas por los inversores 55 Figura 5-1. Menú para buscar el esclavo 59 Figura 5-2. Pantalla de configuración del esclavo 60 Figura 5-3. Pantalla de configuración de las direcciones 60 Figura 5-4. Etiquetas del modelo en RT-LAB 61 Figura 5-5. Pantalla de Configuration (Default) 61 Figura 5-6. Librerías importadas 62 Figura 5-7. Función principal 62 Figura 5-8. Código encargado de la lectura 62 Figura 5-9. Función de conversión de UINT a INT 62 Figura 5-10. Control de tensión en Python 63 Figura 5-11. Cambios para la escritura de consigna de potencia reactiva 63 Figura 5-12. Escritura en las direcciones 63 Figura 5-13. Incremento de la señal 64 xxi Notación HIL Hardware in the loop CT Centro de transformación CS Centro de seccionamiento POI Punto de conexión p.u. Por unidad BT Baja tensión MT Media tensión SM Subsystem Master SC Subsystem Console 22 23 1 INTRODUCCIÓN nte los efectos adversos de la contaminación que se efectúan en nuestra actividad cotidiana, se plantean y realizan diversos cambios para contrarrestar las futuras consecuencias o reducirlas lo máximo posible. Siendo el sector eléctrico uno de los sectores que más cambios va a afrontar, debido a la descarbonización que se propone en él, al mismo tiempo que se electrifican consumos de energía, tal como en el sector del transporte serían los vehículos eléctricos. Por su parte, el sector eléctrico se puede catalogar de conservador por motivos más que evidentes, tan solo en España hay más de 29 millones de consumidores que tienen por costumbre querer un servicio de alta calidad y sin interrupciones que debe garantizar el sistema, por lo que antes de introducir nuevos elementos al sistema se debe asegurar su correcto funcionamiento con mucha certeza evitando fallos y averías que perjudiquen a los usuarios. Con el propósito de descarbonizar el sistema, desde el punto de la generación eléctrica existen otras fuentes de energía no contaminantes, las energías renovables, si bien es cierto que dentro de todas las renovables, la hidráulica en vista al modo que vierte la energía a la red es del mismo modo que las energías térmicas, lo que no implica ninguna novedad significativa, no pasa lo mismo con sus otras compañeras renovables, a causa de que necesitan un convertidor electrónico. Estos convertidores de electrónica de potencia introducen varios problemas en la red, como los armónicos, no aportan corriente de cortocircuito ya que no la soportan los semiconductores que los componen, o la falta de inercia de forma inherente ante aumentos de consumo o pérdida de generación. Lo que supone un nuevo reto para la operación del sistema eléctrico. Figura 1-1. Emisiones contaminantes en España por la generación eléctrica A La ciencia es la progresiva aproximación del hombre al mundo real. - Max Planck - Introducción 24 Con el fin de tener un sistema “limpio” estos últimos años se ha producido una transición energética de energía contaminantes a energías limpias a nivel global, observando en la Figura 1-1, en el año 2023 se consigue reducir la cantidad de emisiones un 11% respecto a los años anteriores y sobre 2024 del que solo se llevan 5 meses de año, se ve como estas emisiones no suponen ni la mitad del año anterior, a causa de una implementación masiva de plantas de energía renovable en el sistema eléctrico, como se presenta en la Figura 1-2 en el caso de la energía solar fotovoltaica se ha duplicado su potencia instalada y un ligero crecimiento de la energía eólica en estos últimos cuatro años. Causando la reducción de emisiones a la atmósfera ya que se reduce el uso de centrales térmicas contaminantes para producir la energía eléctrica. Figura 1-2. Evolución de la potencia instalada en España Para reafirmar el crecimiento de las renovables en la Figura 1-3 se muestra la tendencia creciente de las energías renovables en general, siendo un crecimiento de casi 20 MW más que en 2020, a pesar de ver un frenado en el crecimiento entre 2023 y 2024 pudiendo deberse a que todavía no ha pasado suficiente tiempo del año para poder tener una tendencia similar, o que no se puede instalar más centrales de energía renovable en la red actual, necesitando reforzar la red si se desea continuar haciendo la generación más “limpia”. De forma opuesta las energías no renovables en estos 4 años han ido reduciendo su potencia instalada. En resumen, se ha producido un crecimiento masivo de la energía renovable y un ligero decrecimiento de la energía no renovable. Figura 1-3. Crecimiento en general de las energías renovables en España No obstante, para garantizar la continuidad y estabilidad del sistema hay que endurecer los códigos de red necesarios de dichas plantas renovables, con el objeto de reducir los problemas que aportan al sistema dado que estas instalaciones utilizan dichos convertidores. Estos requisitos tan estrictos dificultan la puesta en marcha de las instalaciones, debido a los límites a los que se llevan para su validación, pudiendo dañar o finalmente dejar inservible los elementos que componen la planta, en el caso de que no aguantaran esos ensayos porque no se pensaron que los cumplieran dado que fuera una central ya construida y tenga que cumplir un requisito nuevo. Otro caso sería tener un método para poder probar nuevas técnicas de control o similares en las plantas sin dañar algún dispositivo, pero implementándolas en los PLC’s existentes. Con estos dilemas presentes, una simulación Hardware In the Loop (HIL) permite poder probar dichos ensayos previamente y comprobar la respuesta que podrían tener de cada elemento de la planta, así como probar nuevos algoritmos de control o cualquier innovación sin dañar ningún elemento de potencia, pudiendo asegurar un funcionamiento correcto antes de probarlo en la realidad. 1.1 Simulación de tiempo real-Simulación HIL En primer lugar, una simulación en tiempo real es aquella en la que el modelo del sistema se ejecuta “al mismo ritmo” que el sistema real, es decir, se crean gemelos virtuales de sistemas reales con una gran exactitud de los elementos que los componen. Por esta razón se necesita plataformas de simulación con gran capacidad computacional dado a que se modela un sistema físico de manera muy cercana a la realidad para obtener unos resultados similares a los que da el sistema real. Por ejemplo, las simulaciones en tiempo real son utilizadas por los ingenieros para el desarrollo de prototipos de algoritmos de control o procesamiento de señales digitales, además estas simulaciones adquieren mayor potencial gracias a las simulaciones HIL. Por su parte, las simulaciones HIL son simulaciones en tiempo real en las que dispositivos externos se conectan a un entorno de simulación mandando señales durante la ejecución de la simulación para poder probar ambos conjuntos, unos ejemplos de estos dispositivos podrían ser sensores, controladores, sistemas electrónicos, etc. Este entorno de simulación es usado en la práctica en distintos sectores de la ingeniería, como en la aviación para simular y probar sistemas electrónicos antes de implementarlos en un avión real con el objeto de garantizar la seguridad de los vuelos. Esto tipo de simulación no se podría ejecutar con una simulación offline pues esta se ejecuta con los parámetros que dispone al principio de la simulación no pudiendo modificar consignas durante su ejecución. Por este motivo se precisa de una simulación en tiempo real que permite realizar cambios en las consignas, que harán los dispositivos externos con las medidas que se obtiene de forma continua de la simulación. Como consecuencia de poder utilizar dispositivos reales de los sistemas físicos con entorno simulados, este tipo de simulación tiene gran atractivo para poder probar condiciones anormales en estos dispositivos externos sin dañar otros elementos en el caso de que estas condiciones los afectaran de forma severa, de la misma forma que poder probar nuevos códigos de control de una planta fotovoltaica asegurando su correcto funcionamiento en el caso de conectar controladores. A modo de resumen las grandes ventajas que proporciona un entorno HIL son: • La utilización de dispositivos comerciales con un entorno simulado, pudiendo ver si en realidad funciona correctamente dicho dispositivo. • Realizar ensayos o pruebas de condiciones anormales que pueden dañar la planta real. • Reducción de costes en el desarrollo de productos puesto a que se puede evitar el daño de componentes al realizar ensayos, o incluso evitando compras de dispositivos o componentes en el caso de que su funcionamiento no fuera el deseado. Con el fin de ejecutar la simulación en tiempo real del modelo de la planta, unos de los entornos de simulación en tiempo real es el que ofrece la compañía canadiense OPAL-RT Technologies, con su ordenador Opal-RT 5600. Con este dispositivo se modela nuestra planta al sumo detalle, debido a la gran capacidad de computación que dispone, y comunicarla con distintos protocolos de comunicación como lo sería Modbus a otros sistemas, pudiendo ser desde un ordenador a un PLC o el propio sistema de comunicaciones real de la planta. Descripción de la planta 32 𝑃𝑐𝑐 =21.96 𝑘𝑊=3·𝑅𝑐𝑐·𝐼𝑐𝑐 2→ 𝑅𝑐𝑐 =0.976 Ω (3) 𝑍𝑐𝑐 =𝜀𝑐𝑐𝑈𝑛1 2 𝑆𝑛=√𝑅𝑐𝑐 2+𝑋𝑐𝑐 2→ 𝑋𝑐𝑐 =7,94 Ω (4) Que se pasan a por unidad (p.u.) dividiendo por la impedancia base (Zb), por lo que se consigue los parámetros de la Tabla 2-4. Tabla 2-4. Parámetros de los transformadores en p.u. Zb (Ω) 133,34 Rcc (p.u.) 0,007319634 Xcc (p.u.) 0,059547023 RFe (p.u.) 4769,236896 Sin embargo, para Simulink se han hecho las siguientes suposiciones dado que sigue faltando parámetros: • La impedancia de cada devanado es la impedancia de cortocircuito dividida por dos. • Xm = RFe 2.4. Líneas de alterna de baja tensión Estas líneas son las que conectan el cuadro de baja tensión (BT) de los CT con los respectivos inversores, son cables de aluminio y se encuentran enterrados en zanjas. En total hay 19 líneas con una sección de 300 mm2 salvo el cable que sale del inversor 2 de CT2 que tiene una sección de 400 mm2 disminuyendo su resistencia, esto se debe ya que es la línea más larga y seguramente tenga mayor sección para cumplir el criterio técnico de caída de tensión. En la Tabla 2-5 se reúnen todos los parámetros para introducir en Simulink. Tabla 2-5. Parámetros de las líneas de BT Denominación Longitud (m) R(Ω/km) X(Ω/km) CT.01-INV.01 178,74 0,12 0,08 CT.01-INV.02 75,96 0,12 0,08 CT.01-INV.03 43,21 0,12 0,08 CT.01-INV.04 14,71 0,12 0,08 CT.01-INV.05 47,51 0,12 0,08 CT.01-INV.06 205,4 0,12 0,08 CT.01-INV.07 172,63 0,12 0,08 CT.01-INV.08 144,18 0,12 0,08 CT.01-INV.09 176,97 0,12 0,08 CT.01-INV.10 199,44 0,12 0,08 CT.02-INV.01 189,05 0,12 0,08 CT.02-INV.02 269,87 0,09 0,08 CT.02-INV.03 167,1 0,12 0,08 CT.02-INV.04 168,74 0,12 0,08 CT.02-INV.05 146,64 0,12 0,08 CT.02-INV.06 124,77 0,12 0,08 CT.02-INV.07 149,89 0,12 0,08 CT.02-INV.08 172,17 0,12 0,08 CT.02-INV.09 194,36 0,12 0,08 Se dispone de la reactancia de las líneas, aunque para Simulink se necesita la inductancia, que se obtiene dividiendo por la frecuencia de la red. 𝐿= 𝑋 2𝜋𝑓 (5) 2.5. Inversores Continuando con los inversores, estos son SUN 2000-330KTL-H1 de Huawei como se ve en la Figura 2-5, estos inversores tienen los parámetros mostrados en la Tabla 2-6. Figura 2-5. Inversor de la instalación Tabla 2-6. Parámetros del inversor SUN 2000-330KTL-H1 Parámetros de entrada Max. Tensión de entrada 1500 V Número de seguidores de MPP 6 Max. Corriente por MPPT 65 A Max. Corriente de cortocircuito por MPPT 115 A Rango de operación del MPPT 500 V ~ 1500 V Tensión nominal de entrada 1080 V Parámetros de salida Potencia activa nominal 300 kW Potencia aparente máxima 330 kVA Tensión de salida nominal 800 V Corriente de salida nominal 216.6 A Corriente máxima de salida 238.2 A Rango de factor de potencia 0.8 capacitivo ~ 0.8 inductivo THD <1% Es el elemento de la instalación que transforma la energía eléctrica de corriente continua a alterna, de forma que se posee control sobre la potencia que inyectan las placas fotovoltaicas. Conmutando los semiconductores que lo integran, se consigue una onda senoidal de 50 Hz con armónicos unos de los problemas de estas plantas, Descripción de la planta 34 así como que los semiconductores que lo componen no aguantan la corriente de cortocircuito, quemándose si pasará por ellos, por lo que directamente ante cortocircuitos no aportan dicha corriente, sino que aportan la corriente nominal, lo que en un futuro si esta tendencia siguiera dificultará la detección y despeje de los cortocircuitos. 2.6. Instalación fotovoltaica Respecto a los paneles, son los encargados de transformar la energía solar en energía eléctrica. Se han colocado 26 módulos en serie y por el tipo de inversor que dispone la planta, se conectan 4 string a cada MPPT, como cada inversor dispone de 6 MPPT, se tiene 24 strings por inversor, sin embargo, esto no sucede en todos los inversores, varios de ellos solo cuentan con 23 strings y un inversor tiene 20 strings. Los módulos por su parte presentan los parámetros que se acogen en la Tabla 2-7. Tabla 2-7. Parámetros del módulo fotovoltaico Potencia máxima 590 W Tensión a circuito abierto 53,3 V Tensión máxima potencia 44,8 V Intensidad de cortocircuito 13,93 A Intensidad máxima potencia 13,17 A Eficiencia del módulo 21,1% En cuanto a los cables que conectan los paneles, dado que en continua las pérdidas solo se basan en las pérdidas Joule, para esta parte de la instalación se ha optó por conductores de cobre con el fin de reducir pérdidas. Estos cables conectan cada string de placas fotovoltaicas con el MPPT del inversor que pertenece dicho string. Cabe decir que la planta cuenta con cables de 4 y 6 mm2 para este tramo de la instalación, para ver las características mostradas en la Tabla 2-8, se ha buscado unos cables equivalentes en catálogo del fabricante Prysmian. Tabla 2-8. Parámetros cables de corriente continua Nº de conductores x sección (mm) Diámetro máx del conductor (mm) Diámetro exterior del cable (mm) Peso (kg/km) Resistencia conductor (20 ºC) (W/km) Intensidad admisible al aire (A) Intensidad admisible al aire. Tª ambiente 60 ºC y Tª conductor 120 ºC Intensidad admisible bajo tubo enterrado (A) Caída de tensión (V/A km) 1x4 3 6,6 61 5,09 46 55 42 10,18 1x6 3,9 7,4 80 3,39 59 70 53 6,78 35 3 DESCRIPCIÓN DEL ENTORNO DE SIMULACIÓN n este tercer capítulo del presente trabajo se continua describiendo los aspectos esenciales del entorno de simulación necesarios. Se encuentran reunidos en este capítulo los aspectos como la plataforma seleccionada para la ejecución del modelo, el modelo de la planta y el protocolo de comunicación Modbus, así como las señales que se traspasan en la comunicación. 3.1. Plataforma de simulación (Opal-RT) Para simular la planta se va a utilizar el real time digital simulator OP5600 de Opal-RT el cual se presenta en la Figura 3-1, el cual es un ordenador con varias CPU’s y FPGA’s trabajando en paralelo para poder ejecutar una simulación en tiempo real. A este se le denomina Target y al ordenador que se conecta para montar el modelo se le llama Host. Figura 3-1. Ordenador en tiempo real Opal-RT 5600 Opal-RT necesita al Host para que cree el modelo, lo compile en C y se lo cargue. Esta conexión se realiza por un cable Ethernet entre ambos mediante una comunicación TCP. También es necesario mantener este cable para la comunicación entre los dos grandes subsistemas del modelo durante la simulación, estos dos grandes subsistemas se verán en la siguiente sección. E La ciencia más útil es aquella cuyo fruto es el más comunicable. Leonardo Da Vinci Descripción del entorno de simulación 36 36 A la hora de ejecutar la simulación se disponen de 4 modos de simulación: • Simulation: Es una simulación offline en el Target, dicho de otra forma, es como hacer una simulación en Simulink, pero con la potencia computacional del Opal-RT. • Simulation with low priority: Es igual que Simulation pero permite que los recursos de la CPU del Opal-RT sean utilizados por otras aplicaciones. • Software synchronized: Es un modo para hacer una simulación en tiempo real, funcionando el Target con el tiempo establecido en el modelo y las comunicaciones funcionan al tiempo que se configuren. • Hardware synchronized: Se vuelve a estar simulando en tiempo real, pero a diferencia del modo anterior, todo debe funcionar bajo el mismo reloj. Se debe añadir un bloque especifico en el modelo y especificar donde está localizado el reloj externo. Con el fin de enviar o recibir señales externas el ordenador cuenta con varios puertos de entrada o salida (depende de cómo los configures) tanto analógicos como digitales, como se aprecian en la parte superior de la Figura 3-1. A parte de estos puertos cuenta con dos tarjetas de red, una se utiliza para comunicarlo con el ordenador donde se construye el modelo, y quedando la segunda para comunicarlo vía Modbus, logrando así el entorno HIL. Por otra parte, el entorno de simulación de Opal-RT es el que ofrece MathLab/Simulink, donde se programa por bloques los distintos elementos de la planta gracias a las librerías que dispone, particularmente para los elementos eléctricos se dispone de la librería Simscape Electrical y para los bloques necesarios para la ejecución en Opal-RT, existe su respectiva librería Opal-RT. A pesar de utilizar Simulink, para crear o modificar el modelo, hay que abrirlo desde el programa de RT-LAB, no desde el programa de Matlab. A causa de que se tiene una carpeta dentro del programa que se le llama proyecto, donde dentro de él se encuentran varios modelos de Simulink y toda la configuración pertinente al proyecto completo, por ejemplo, la comunicación Modbus. En cada modelo se puede configurar su modo de ejecución o archivos para leer durante la simulación, que en este caso va a ser un perfil de generación. Figura 3-2. Pantalla del modelo en RT-LAB La Figura 3-2 muestra la pantalla del modelo en el que, si se quiere editar el modelo se le da a Edit the model, después una vez terminado se compila en código C, dándole a Build the model, si hasta ahora no hubiera errores, solo faltaría darle a Load y Execute para que el sistema se ejecute de acuerdo con el modo que se le ha asignado. Unas buenas prácticas son darle a Run en Simulink para asegurar que no haya errores antes de ir a RT-LAB y esperar unos 5 segundos antes de darle a Execute. Hecho todo esto, al darle a Load el programa abrirá otro archivo de Simulink que sería la Consola, donde se visualizan las magnitudes y poder mandar señales hacia el modelo. A la hora de querer leer ficheros, como en este caso va a ser un perfil de generación, durante la simulación se debe introducirlos previamente en la pestaña Files del archivo del modelo, pestaña mostrada en la Figura 3-3. Figura 3-3. Pantalla de ficheros en RT-LAB Estos deben seguir la siguiente configuración de la Tabla 3-1 que aparecerá cuando se añada algún fichero al darle a Add. Tabla 3-1. Modificaciones para la carga de ficheros Apartados a modificar Mode Binary Category Other Transfer Time Before load 3.2. Modelo Simulink de la planta Se procede a continuación, explicar los distintos elementos que se encuentran en el modelo de Simulink, explicando también su relación con los elementos físicos de la planta. La principal diferencia ante lo que sería un modelo común en Simulink, es la separación en dos subsistemas, como se visualiza en la Figura 3-4, SM_Computation y SC_User_Interface. El comienzo de estos nombres no es aleatorio, sino que es la forma que tiene Opal de diferenciar la parte de cálculo (SM_Computation) y la interfaz que se va a diseñar para la interacción con el modelo durante su ejecución (SC_User_Interface). Concretamente, SM son las siglas de Master Subsystem y SC son las de Console Subsystem, pudiendo haber varias consolas, pero solo un maestro. Descripción del entorno de simulación 38 38 Figura 3-4. Primer nivel del modelo Se ve en la Figura 3-4 como ambos subsistemas están interconectados mediante señales, esto es posible gracias al bloque OpComm que viene siendo el nexo entre Opal y el usuario durante la ejecución de la simulación. Estas señales serán las medidas que vienen del bloque de cálculo y las señales que se le mandan para cambiar que medidas se muestran en consola. Además, en este primer nivel también está el bloque Powergui necesario para los elementos eléctricos, en modo discreto, donde su tiempo de ejecución al igual que los distintos parámetros necesarios en el modelo están definidos en el bloque de inicialización presente en este primer nivel. Respecto a otro bloque de Opal necesario, se encuentra el bloque OpConfiguration en el que se indica las características del Target. 3.1.1 SC_User_Interface-Consola En primer lugar, este subsistema es el que se va a ver en el Host tal y como se muestra en la Figura 3-5, desde él se puede visualizar las medidas del sistema durante la simulación que van a venir del SM_Computation, en los displays puestos para ello. De todas las medidas se puede seleccionar cual ver con las salidas Bus_CT, mandándolas a un selector que hay en el tratamiento de medidas. Estas medidas se pasan a tensión de línea y a kW, kvar para poder interpretarlas mejor cuando la planta esté en funcionamiento. Además, se puede visualizar el tiempo al que se está ejecutando la simulación pudiéndose ser distinto al que se ejecuta la consola poniendo un display, siendo el display llamado RTimeSimulation. Con la señal Save cuando esté a 1 se procederá al guardado de todas las medidas, y no se guarda cuando valga 0, por defecto siempre se deja a 1, pudiéndose configurar para que guardará datos ante un evento. Figura 3-5. Consola durante la simulación 3.1.2 SM_Computation En segundo lugar, este subsistema es el que se va a cargar en la plataforma en tiempo real OP5600 y se va a ejecutar dentro de él. Hay que incluir todos los elementos que vayan a modelarse y precisen de cálculo. En el subsistema se encuentran las siguientes partes: 3.1.2.1 Planta fotovoltaica Para describir como se ha procedido a el desarrollo de la construcción del modelo, se separa por nivel de tensión comenzando por la baja tensión, explicando los elementos que reúne el CT1 dado que el segundo es exactamente igual salvo que posee un inversor menos. 3.1.2.1.1 CT1, lado de baja tensio n Se da comienzo por los elementos que inyectan la potencia en la planta, las placas fotovoltaicas juntos con sus inversores. Estos se han modelado como una carga en la que se puede consumir o generar, indicándole por dos señales de entrada que dispone que debe hacer, como particularidad este bloque sigue el criterio carga, es decir si la señal de entrada es positiva consume y si es negativa procede a generar. Los bloques utilizados son: • Three-Phase Dinamic Load: Es una fuente de corriente controlable, se le indica a la tensión de línea que va a estar y la frecuencia del sistema, así como las condiciones iniciales de potencia activa y reactiva, también siendo lo más importante marcar que el control de PQ viene de señales externas al bloque. Este bloque tiene también como salida medidas de tensión y potencia tanto activa como reactiva, pero no se va a utilizar. En el primer paso del TFG que es probar el correcto funcionamiento del modelo, la potencia activa vendrá dada de un perfil de generación, mientras que la reactiva se mantendrá a cero. • Three-Phase Series RLC Branch: Este bloque se añade porque es necesario para poder poner una fuente de corriente en serie con una de tensión. Para que su efecto sea mínimo se ha configurado que solo sea una resistencia con un valor enorme. En la Figura 3-6 se muestra como es la conexión de los bloques presentados anteriormente. Se ha decidido utilizar estos bloques en la emulación de las placas e inversores, debido a que no hay interés en como los inversores juntos con las placas inyectan esa potencia, a pesar de que se podría realizar dado la gran potencia de calculo que dispone OP5600, solo se necesita ver como varía esa potencia debido al ciberataque por las consignas que le llegan por las comunicaciones. Figura 3-6. Modelo de los inversores y placas fotovoltaicas Se continua con la descripción de la Figura 3-7 teniendo a la salida del subsistema de generación un subsistema en el que se mide tensión e intensidad a la salida de los inversores, con los medidores que dispone la librería de Simulink para ello. Continuando con las líneas hacia el cuadro de baja del CT. Para la introducción de las líneas en el modelo, se ha puesto una resistencia (R) y una inductancia (L) en serie, la capacidad no se ha añadido, ya que su efecto en BT no es muy representativo. Así que se utiliza otra vez el bloque Three-Phase Series RLC Branch, en modo RL. Los valores de R y L se encuentran en el bloque de inicialización, pero su valor depende de la longitud del cable, por ello para cada línea se ha definido también Descripción del entorno de simulación 40 40 su longitud para ahora dentro del bloque de la línea multiplicar la R y L por la longitud correspondiente del cable. Figura 3-7. Esquema desde un inversor al cuadro de baja A parte de lo ya comentado, se ve que cada bloque está nombrado como corresponde en el plano de la instalación real, como también las medidas de tensión e intensidad de las 3 fases se agrupan en una sola etiqueta con el nombre de la rama. Por último, se ve en la Figura 3-7 que a la salida de la línea hay otro subsistema, este no contiene nada es una representación de un nudo inexistente antes de la conexión del cuadro de baja tensión. Este esquema es igual para los 9 inversores restantes, variando tanto en el nombre como en las longitudes de las líneas. Entonces se llega al lado de BT donde también se toman medidas para conocer la inyección de los 10 inversores antes de pasar por el transformador. Quedando el CT1 como se muestra en la Figura 3-8. Figura 3-8. Modelo de la instalación lado de baja tensión del CT1 Como se observa los inversores están unos más cerca que otros a la salida hacia el transformador, se ha realizado así para saber que inversores están más lejos del cuadro y cuales más cerca para interpretar de manera más sencilla las caídas de tensiones. 3.1.2.1.2 Salida a MT Visualizando la Figura 3-9 lo primero que se encuentra es el transformador elevador modelado con el bloque que dispone Simulink en el que se le introducen los parámetros de él calculado con los datos facilitados sobre la ficha técnica del transformador. Sin embargo, se ha puesto a tierra el lado secundario pues es necesario para que el bloque de medidas de tensión funcione. En adicción, se mide a la salida de él para poder conocer las pérdidas que aportan los transformadores, llamando estas medidas como POI 1 y POI 2 refiriéndose a la conexión a media tensión. De este transformador sale una línea de media tensión hacia el CT2. Las líneas de media tensión se ha seguido un modelo en π, dado que en media tensión y con la longitud que ya tienen estos cables la capacidad de la línea no se puede despreciar. Del CT2, sale otra línea de media tensión hacia el POI, donde se va a tomar también medidas y gracias a los datos aportados se puede caracterizar dicho punto. Para el POI se ha modelado como una fuente trifásica con una impedancia interna. Figura 3-9. Modelo de MT de la planta fotovoltaica 3.1.2.2 Tratamiento de medidas Como se ha visto en el punto anterior, durante toda la instalación se han tomados muchas medidas, pero Simulink mide la onda senoidal de tensión e intensidad, así que para ver durante la simulación o graficar las tensiones e intensidades se deben obtener los valores RMS de dichas ondas, es decir, tratar esas medidas, con miras a poder ver claramente dichas medidas, adicionalmente en las gráficas también se pasan a magnitudes de línea para poder interpretarlas mejor. Estas medidas se han agrupado en etiquetas con nombres característicos para su identificación, se pasan por el subsistema de la Figura 3-10 donde se van a tratar y calcular la potencia activa y reactiva. 49 4 RESULTADOS DE SIMULACIÓN L siguiente capítulo muestra los resultados obtenidos en el entorno HIL desarrollado para proporcionar un banco de trabajo adecuado para las pruebas de ciberseguridad en plantas fotovoltaicas. Para validar este modelo y que sea posible utilizarlo para su cometido final, se van a mostrar y comparar los resultados obtenidos con el control de la planta y sin control. 4.1. Resultados en el POI En primera instancia, se muestra en la Figura 4-1 la magnitud que se desea controlar, la tensión del POI, para el control de esta medida se ha empleado un control droop o control proporcional con la constante mostrada en el capítulo anterior en la sección tercera. Este tipo de control implica un error en la señal a controlar, es decir, no se alcanza nunca la referencia de 20 kV. Sin embargo, se ve en la Figura 4-1 como se logra reducir la tensión en el POI, pasando de tener un 0,674 % de sobretensión en la operación natural de la planta con el perfil de generación implementado, a tener un 0,4505% de sobretensión con el controlador en funcionamiento. Estas sobretensiones son apenas apreciables en sí, pero aun así se ve que el control funciona mediante la comunicación Modbus y además en la Figura 4-1 se ve que el cambio entre ambas simulaciones es apreciable principalmente en el pico de generación, en el que se reduce la tensión 44,7 V. E Con números se puede demostrar cualquier cosa. Thomas Carlyle Resultados de simulación 50 50 Figura 4-1. Tensión en el POI En la Figura 4-2 se muestra la intensidad inyectada en el POI, el cambio de la operación sin control a con el control, es un poco más de intensidad ya que baja la tensión, consecuencia de dar la misma potencia activa con menos tensión. Esencialmente esta intensidad es debida a la inyección de potencia activa por parte de los 19 inversores, en otras palabras, esta intensidad es muy activa y poco reactiva como se demuestra en la Figura 4-5 con un factor de potencia igual a uno prácticamente en todo el tiempo que la planta produce energía eléctrica. Como el cambio de tensión no es tan significativo apenas afecta a la intensidad, por lo que se tiene un control que ciertamente solo modifica dos magnitudes, la controlada y la que modifica la controlada, es decir se tiene un buen acople entre la potencia reactiva y tensión, efecto que en las redes de transporte es más notable. Figura 4-2. Intensidad inyectada en el POI El siguiente resultado a comparar y analizar es el mostrado en la Figura 4-3 sobre la potencia activa. Se ha empleado un control que actúa sobre la potencia reactiva para mantener la tensión lo más baja posible, no afectando por su parte a la potencia activa, por lo que se comprueba como en ambos casos la potencia es igual. Esta potencia es resultado de la potencia inyectada por los 19 inversores menos las pérdidas en el sistema, la única limitación que puede darse que afecte a la potencia activa al modificar la potencia reactiva, es alcanzar el máximo de potencia aparente de los inversores, por lo que habría una limitación en la reactiva que la planta puede dar. En este caso como se ve que el perfil de generación mostrado en la Figura 3-13 se queda a 0.75 p.u. esta limitación no se llegaría a dar como se va a ver en la siguiente sección. Figura 4-3. Potencia activa inyectada en el POI Resultados de simulación 52 52 A continuación, en la Figura 4-4 se enseña la potencia reactiva en ambos casos. En el caso sin control ya se aprecia un consumo de reactiva proveniente de las líneas y de los transformadores, después si se observa la curva con control, este consumo casi triplica lo previamente consumido, esto es a causa de que para bajar la tensión se debe consumir reactiva en dicho punto, esto es llevado a cabo en la realidad por los inversores reduciendo la amplitud de la onda de tensión a su salida, a causa de las consignas de reactiva que reciben. En el modelo simplemente es cambiar la potencia reactiva que debe consumir la fuente de corriente. Figura 4-4. Potencia reactiva inyectada en el POI Figura 4-5. Factor de potencia en el POI Para terminar la sección, en la Figura 4-5 se observa como el factor de potencia en el POI durante el funcionamiento de la planta se mantiene muy cerca de la unidad, aunque se aprecia ligeramente como en el caso que el control actúa en la planta, este factor se aleja un poco más del uno. Este factor tan cercano a uno se ve que comparando la potencia activa y la potencia reactiva, la activa es mucho mayor que la reactiva, la reactiva solo supone un 12,08% de la potencia activa en el pico de generación en el caso con control y un 4,11% en el caso sin control. 4.2. Resultados del CT2 Debido a que en el capítulo 3 se ha presentado el modelo en Simulink con el CT1, en esta sección se presentan los resultados del CT2 con el fin de mostrar su correcto funcionamiento, así como representar el efecto individual del control en los inversores. No obstante, como son 9 inversores al poner las curvas de sin control y con control de sus 4 magnitudes se tendría 18 curvas por gráfica, por simplicidad y mayor claridad visual solo se enseñan el inversor más cercano, el inversor 6 y el inversor más lejano, el inversor 2, estando los 7 restantes en el intervalo que dejan estos dos entre ellos. En primer lugar, en la Figura 4-6 se ve como el control efectivamente reduce la tensión, en este caso unos 6 V aproximadamente por inversor. Después se aprecia que tanto la tensión entre los inversores no es la misma siendo mayor en el inversor más lejano, este fenómeno se debe a la caída de tensión de las líneas siendo mayor cuanto más lejos se encuentra el inversor del cuadro de baja del CT, se ve que en el caso del CT2 entre su inversor más lejano y cercano hay una diferencia de 2 V aproximadamente. Figura 4-6. Tensiones en el CT2 A continuación, en la Figura 4-7 se expone una ampliación de las intensidades de los inversores en el pico máximo del perfil para apreciar de mejor forma la pequeña diferencia entre ellas. Al igual que en el POI estas suben debido a la bajada de la tensión por el control proporcional. Se puede señalar que el caso base como las intensidades de cada inversor es diferente, esto es a las diferentes tensiones que se dan en cada uno como se ve en la Figura 4-6 la tensión del inversor 2 es mayor por lo tanto tiene menos intensidad. Resultados de simulación 54 54 Figura 4-7. Intensidades inyectadas por los inversores En la Figura 4-8 se ve el perfil de generación en unidades de potencia, además de que de la misma manera que en el POI estas gráficas son iguales con control que sin control pues solo se modifica la reactiva. Junto con la Figura 4-9 se puede ver en el pico máximo, la potencia aparente que manejan los inversores es de aproximadamente 225 kVA, por lo que se queda muy por debajo del límite que aguantan dichos inversores de 330 kVA como se puede observar en la Tabla 2-6. Figura 4-8. Potencia inyectada por las placas fotovoltaicas Lo primero a comentar sobre la Figura 4-9 es que los cambios en las consignas de reactiva se ven más acusados en los inversores a diferencia que en el POI dado que las líneas y el transformador amortiguan estos cambios, es decir actúan como filtros suavizando dichos cambios, pudiendo verse escalones de potencia reactiva recibido por la comunicación. Con respecto al cambio por el control, inicialmente no se inyectaba ni consumía potencia reactiva por parte de los inversores validando lo dicho anteriormente sobre los consumos de reactiva en la Figura 4-4, con el control en funcionamiento se observa como si empiezan a consumir potencia reactiva para poder bajar las tensiones en el POI. Figura 4-9. Potencias reactivas inyectadas por los inversores 57 5 CONCLUSIONES En esta sección se van a presentar las conclusiones más importantes extraídas del trabajo realizado en este documento: 1) Se ha demostrado que es posible observar y analizar el comportamiento de sistemas reales como sería el caso de una planta fotovoltaica mediante un entorno HIL el cual, logra combinar un entorno de simulación con elementos reales externos obteniendo la verdadera respuesta de estos elementos en la simulación. 2) La plataforma en tiempo real Opal-RT 5600 es una herramienta muy potente y sencilla de utilizar para simulaciones de sistemas eléctricos como es el objeto de este trabajo, brindando además la oportunidad de construir un entorno HIL. Esta plataforma utiliza el entorno de diagramas de bloque para programación de Matlab/Simulink que dispone de una gran cantidad de bloques configurables para poder programar los sistemas reales. 3) En cuanto al protocolo Modbus, es un protocolo utilizado muy frecuentemente para la comunicación entre inversores y PLC’s puede que se deba a la sencillez que presenta este. Respecto a su implementación en Opal-RT, a pesar de que tiene sus complejidades como el ver que estructura se debe seguir o como se realiza la transmisión de datos, no resulta demasiado difícil de configurar para iniciar la comunicación, además las funciones utilizadas en Python tampoco resultan difíciles de utilizar dado que con dos entradas realizan la acción deseada. 4) Con el entorno HIL realizado, se dispone de una plataforma cercana a la realidad debido a que se utilizan los parámetros reales de la planta que junto a poder conectar el sistema de comunicaciones de la propia planta se tiene un sistema donde poder ejecutar ciberataques sin perturbar el correcto funcionamiento de elementos eléctricos de potencia y en adicción de un entorno en el que se puede probar técnicas de protección ante estos ciberataques. En conclusión, este trabajo resalta la eficacia del uso de simulaciones en tiempo real y entornos HIL para el análisis y desarrollo de avances tecnológicos en plantas fotovoltaicas, con el uso de plataformas en tiempo real como Opal-RT que dispone de protocolos utilizados comúnmente en dichas instalaciones como lo es Modbus. Anexo I: Configuración Modbus 64 64 Figura 5-13. Incremento de la señal REFERENCIAS [1] https://skylife-eng.com/servicios/digitalizaci%C3%B3n/posibilidades-ilimitadas/hardware-in-the-loop [2] https://www.ree.es/es [3] https://www.loxone.com/eses/kb/loxone-config-comunicacion-con-modbus/ [4] Casellas, F., Esteban, J.A., Guinjoan, F.S., Pique, R., Martinez, H., Velasco, G., & Universitària, E. (2014). Simulación Mediante "Hardware In the Loop" de un Convertidor Buck.