Modelado de un Flexible Power Link en Simscape

1 Curso: 2023-2024 Director/Directora: Uriondo Arrue, Felipe Estudiante: Aldekoa Zaballa, Eneko MODELADO DE UN FLEXIBLE POWER LINK EN SIMSCAPE GRADO EN Ingenieria De Tecnologia Industrial TRABAJO FIN DE GRADO Fecha25/06/2024 2 INDICE 1.INTRODUCCION .................................................................................................................... 9 2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 10 3.ESTUDIO DE FUNCIONAMIENTO ........................................................................................... 11 3.1 VARIACION DE POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA .................................................................... 11 3.1.1 VARIACION DE POTENCIA ACTIVA Y REACTIVA EN AC y DC ................................................ 11 3.2 FUNCIONAMIENTO BASÍCO DE UN FPL ............................................................................... 12 3.2.1 TRANSFORMADAS DE CLARKE Y PARK ............................................................................. 13 3.2.2 CONTROL DE UN FPL ...................................................................................................... 17 3.2.3 CONTROL DE PWM ........................................................................................................ 18 3.2.4 INVERSOR Y RECTIFICADOR ............................................................................................ 23 3.3 SIMULACIÓN .................................................................................................................... 26 3.3.1 SIMULINK Y SIMSCAPE ELÉCTRICAL ................................................................................. 26 3.3.2 SIMULACIÓN DE LA LINEA ............................................................................................... 27 4.ESTUDIO DE RESULTADOS OBTENIDOS .................................................................................. 35 4.1.PRIMER CASO DE FUNCIONAMIENTO ................................................................................. 35 4.2. SEGUNDO CASO DE FUNCIONAMIENTO ............................................................................. 46 5.PLANIFICACION ................................................................................................................... 55 6. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………………………………56 7. PRESUPUESTO………………………………………………………………………………………………………………………….57 8. BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………………………………….58 RESUMEN Este trabajo de fin de grado consiste en el estudio de un Flexible Power Link (FPL) el cual tiene la capacidad de convertir la corriente eléctrica de alterna a continua y de continua a alterna nuevamente con el propósito de controlar tanto la potencia activa como la reactiva. Es interesante la propuésta del proyecto dada la complejidad a la hora de controlar la potencia activa como reactiva de los sistemas eléctricos, especialmente en la creciente integración de fuentes de energía renovable y la complejidad de las redes de distribución modernas. Este proyecto trata de esclarecer estás propuestas mediante el estudio de una simulación echa en simulink con simscape y viendo la efectividad de este sistema. Dicha simulación consta de la parte eléctrica de la instalación como la parte de control de está. Para que ver como es posible regular la potencia activa y a su vez las potencias reactivas de los dos lados del link y las conclusiones que ello conlleva. 3 ABSTRACT This final degree project involves the study of a Flexible Power Link (FPL), which has the capability to convert eléctrical current from alternating to direct and back to alternating current again, with the purpose of controlling both active and reactive power. The project proposal is interesting given the complexity involved in controlling active and reactive power in eléctrical systems, especially with the increasíng integration of renewable energy sources and the complexity of modern distribution networks. This project aims to clarify these proposals by studying a simulation made in Simulink with Simscape, and evaluating the effectiveness of this system. The simulation includes both the eléctrical part of the installation and its control system. The objective is to see how it is possible to regulate active power and, at the same time, the reactive power on both sides of the link and the conclusions that can be drawn from this. LABURPENA Gradu amaierako lan hau Flexible Power Link (FPL) baten azterketan datza, zeinak korronte elektrikoa alternotik jarraikora eta jarraikotik berriro alternora bihurtzeko gaitasuna duen, potentzia aktiboa eta erreaktiboa kontrolatzeko helburuarekin. Proiektuaren proposamena interesgarria da, sistema elektrikoen potentzia aktiboa eta erreaktiboa kontrolatzea konplexua baita, bereziki energia iturri berriztagarrien integrazio gero eta handiagoaren eta banaketa-sare modernoen konplexutasunaren testuinguruan. Proiektu honek proposamen hauek argitu nahi ditu Simulink eta Simscape erabiliz egindako simulazio baten azterketaren bidez, eta sistema honen eraginkortasuna aztertuz. Simulazio horrek instalazioaren alderdi elektrikoa eta haren kontrolaren alderdia biltzen ditu. Honela, potentzia aktiboa eta, aldi berean, linkaren bi aldeetako potentzia erreaktiboak nola erregulatu daitezkeen eta horrek zer ondorio dituen ikusi ahal izateko. 4 LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1: Introduccion de un concepto de FLINK en la distribucion eléctrica .................. 10 Ilustración 2 Fornieles.es. (s.f.). Cálculo de potencia en corriente alterna ............................ 11 Ilustración 3: FPL modelado en simulink .............................................................................. 12 Ilustración 4: Máscara FPL ................................................................................................... 12 Ilustración 5: voltajes en fasores .......................................................................................... 14 Ilustración 6: transformada de clarke .................................................................................. 15 Ilustración 7: coordenadas dqo ............................................................................................ 16 Ilustración 8: cambio abc a dqo ........................................................................................... 17 Ilustración 9: control P/Q ..................................................................................................... 18 Ilustración 10: SPWM y SVM ................................................................................................ 19 Ilustración 11: ElProCus. (s.f.). PWM Inverter: Circuit, Working, Types, and Characteristics. 19 Ilustración 12:(Posada Contreras, 2005) .............................................................................. 20 Ilustración 13: Muestreo de Señal ........................................................................................ 21 Ilustración 14: Diferencias de señales moduladas ................................................................ 21 Ilustración 15: Generador de PWM y disparos de puerta g .................................................. 22 Ilustración 16: Monitorizacion ............................................................................................. 22 Ilustración 17: Rectificador .................................................................................................. 23 Ilustración 18: Inversor ........................................................................................................ 24 Ilustración 19: Multiplexador de 6 pulsos ............................................................................. 24 Ilustración 20: Disparos g entrando a convertidor ................................................................ 24 Ilustración 21: Vdc ............................................................................................................... 25 Ilustración 22: Potencia activa ............................................................................................. 25 Ilustración 23: Idc ................................................................................................................. 26 Ilustración 24: Simulación de la linea ................................................................................... 27 Ilustración 25:Bloque de fuente de voltaje ........................................................................... 27 Ilustración 26: Datos fuentes de voltaje ............................................................................... 28 Ilustración 27: Bloque de linea de transmisión Pi ................................................................. 29 Ilustración 28: Parametros linea Pi....................................................................................... 29 Ilustración 29: Circuito equivalente de linea Pi ..................................................................... 30 Ilustración 30: Bloque de transformador de dos devanados ................................................. 30 Ilustración 31: Parametros de los transformadores de dos devanados ................................ 31 Ilustración 32: constantes .................................................................................................... 32 Ilustración 33: solver ............................................................................................................ 32 Ilustración 34: Busbar .......................................................................................................... 33 5 Ilustración 35: Flexible power link ........................................................................................ 33 Ilustración 36 ....................................................................................................................... 34 Ilustración 37: Máscara de flexible power link ..................................................................... 34 Ilustración 38: Valores asignados para primer caso ............................................................. 35 Ilustración 39: VabcI en p.u .................................................................................................. 35 Ilustración 40: IabcI en p.u ................................................................................................... 36 Ilustración 41: VabcI en p.u ampliado .................................................................................. 36 Ilustración 42: IabcI en p.u ampliado ................................................................................... 37 Ilustración 43: PI en p.u ........................................................................................................ 37 Ilustración 44: Datos de señal de PI ...................................................................................... 38 Ilustración 45: PI en p.u ampliado ........................................................................................ 38 Ilustración 46: QI en p.u ....................................................................................................... 39 Ilustración 47: Datos de señal de QI ..................................................................................... 39 Ilustración 48: QI en p.u ampliado ....................................................................................... 40 Ilustración 49: VabcII en p.u I ............................................................................................... 41 Ilustración 50: IabcII en p.u I ................................................................................................ 41 Ilustración 51: VabcII en p.u ampliado I ............................................................................... 42 Ilustración 52: IabcII en p.u ampliado I................................................................................. 42 Ilustración 53. PII en p.u I ..................................................................................................... 43 Ilustración 54: Datos de señal I de PII ................................................................................... 43 Ilustración 55: PII en p.u ampliado I ..................................................................................... 44 Ilustración 56: QII en p.u I .................................................................................................... 45 Ilustración 57: Datos de Señal de QII en p.u I ....................................................................... 45 Ilustración 58: QII en p.u ampliado I..................................................................................... 46 Ilustración 59: Segundo caso de funcionamiento ................................................................. 46 Ilustración 60: VabcI en p.u II ............................................................................................... 47 Ilustración 61: IabcI en p.u II ................................................................................................ 47 Ilustración 62: VabcI en p.u ampliado II ............................................................................... 48 Ilustración 63: IabcI en p.u ampliado II................................................................................. 48 Ilustración 64: PI en p.u II ..................................................................................................... 49 Ilustración 65: Datos de señal PI en p.u II ............................................................................. 49 Ilustración 66: QI en p.u II .................................................................................................... 50 Ilustración 67: Datos de señal QI en p.u II ............................................................................ 50 Ilustración 68: Vabc en p.u II ................................................................................................ 51 Ilustración 69: IabcII en p.u II ............................................................................................... 51 Ilustración 70: Vabc en p.u ampliado II ................................................................................ 52 6 Ilustración 71: IabcII en p.u ampliado II................................................................................ 52 Ilustración 72: PII en p.u II .................................................................................................... 53 Ilustración 73: Datos de señal PII en p.u II ............................................................................ 53 Ilustración 74: QII en p.u II ................................................................................................... 54 Ilustración 75: Datos de señal QII en p.u II ........................................................................... 54 Ilustración 76: Diagrama de Gantt ....................................................................................... 56 7 LISTA DE FORMULAS 𝑃=𝑉∙𝐼∙𝑐𝑜𝑠𝜃 [1] 𝑄=𝑉∙𝐼∙𝑠𝑒𝑛𝜃 [2] (𝑖𝛼 𝑖𝛽)= ( 2 √32 √32 √3 0 − 1 √31 √3 ) (𝑖𝑎 𝑖𝑏 𝑖𝑐) [3] (𝑣𝛼 𝑣𝛽)= ( 2 √32 √32 √3 0 − 1 √31 √3 ) (𝑣𝑎 𝑣𝑏 𝑣𝑐) [4] (𝑖𝑑 𝑖𝑞)=(cos(𝜃)−sin(𝜃) sin(𝜃)cos(𝜃))(𝑖𝛼 𝑖𝛽) [5] 𝑃=𝑣𝑑∙𝑖𝑑 [6] 𝑄=𝑣𝑞∙𝑖𝑞 [7] 𝑚𝑎=𝐴𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 [8] 𝑚𝑓=𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐹𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 [9] 8 CONEXIÓN CON LOS OBJETIVOS DE DESARROLLO SOSTENIBLE Y LOS PRINCIPIOS Y VALORES DEMOCRATICOS El presente Trabajo Final de Grado se fundamenta en un enfoque innovador conocido como "flexible power link" (enlace de energía flexible), el cual no solo aborda desafíos técnicos y de ingeniería, sino que también se alinea de manera intrínseca con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) estáblecidos por las Naciones Unidas, así como con los principios y valores democráticos fundamentales. Los ODS constituyen un marco integral para abordar los problemás más urgentes que enfrenta el mundo en términos de desarrollo sostenible. Este proyecto, al promover una infraestructura de enlace de energía flexible, contribuye directamente a varios de estos objetivos, incluidos: • ODS 7: Energía Asequible y No Contaminante: Al facilitar un sistema de enlace de energía flexible, se promueve el acceso a fuentes de energía más limpias y sostenibles, reduciendo así la dependencia de combustibles fósiles y fomentando la adopción de energías renovables. • ODS 9: Industria, Innovación e Infraestructura: La implementación de tecnologías de enlace de energía flexible implica una innovación significativa en el campo de la ingeniería eléctrica y la infraestructura energética, lo que contribuye al crecimiento económico sostenible y al desarrollo de infraestructuras resilientes. • ODS 11: Ciudades y Comunidades Sostenibles: La aplicación de sistemas de enlace de energía flexible puede mejorar la eficiencia energética en áreas urbanas, promoviendo así ciudades más sostenibles y resistentes al cambio climático. Además, este proyecto no solo se trata de cumplir con objetivos técnicos y ambientales, sino que también refleja los principios y valores democráticos esenciales. La flexibilidad y adaptabilidad inherentes al enlace de energía flexible se alinean con la idea de la participación ciudadana y la toma de decisiones inclusiva, aspectos fundamentales de cualquier sociedad democrática. Al permitir una mayor integración de múltiples actores, desde empresas hasta comunidades locales, este enfoque promueve la transparencia, la responsabilidad y la equidad en la gestión de los recursos energéticos. En resumen, este TFG no solo busca avanzar en el campo de la ingeniería eléctrica, sino que también aspira a contribuir de manera significativa a la consecución de los objetivos de desarrollo sostenibles y a fortalecer los principios y valores democráticos en el ámbito de la energía y el desarrollo sostenible. 9 1. INTRODUCCION La flexibilidad es un sistema inherente a los sistemas eléctricos. The international Smart Grid Action Network(ISGAN)2, antiguamente la flexibilidad a sido provista por generación térmica flexible y hidráulica, ya que tradicionalmente la generación ha sido la que a tenido que adaptarse a la demanda. Sin embargo hoy en día se está dando la evolución del sistema eléctrico hacia fuentes de generación renovable (solar y eólica principalmente), la conexión y distribución de estás. Ante este escenario, son requeridos nuevos mecanismos de flexibilidad, los cuales permitan la gestión activa de la red en la regulación. Potencialmente, esto redundará en menores costes energéticos para los consumidores, menores emisiones debido a una mayor capacidad de integración de generación renovable que desplace a la de origen térmico y mejores niveles de calidad y seguridad de suministro. Potencialmente, esto redundará en menores costes energéticos para los consumidores, menores emisiones debido a una mayor capacidad de integración de generación renovable que desplace a la de origen térmico y mejores niveles de calidad y seguridad de suministro .Futured (2021) Flexibilidad en redes de distribución eléctrica. Estos mecanismos de flexibilidad, son aquellos dirigidos para cubrir las necesidades del sistema eléctrico, control de tensiones, solución de congestiones, servicios de balance…etc. El Flexible Power link es un dispositivo de electrónica de potencia que se compone de dos inversores rectificadores conectados entre sí por la parte de corriente continua. La función básica del flexible power link (FPL) sería la transferencia de potencia tanto activa como reactiva entre las dos redes. En este proyecto se realizará el estudio de una simulación en SIMULINK de un Flexible Power Link mediante la herramienta de SIMSCAPE eléctrical. La principal necesidad para usar este tipo de links es debido a que el control de los flujos de potencia en las redes malladas es muy complejo, para controlar dicho flujo de potencias empleamos el FPL, el cual es un dispositivo de electrónica de potencia en el cual están implementados dos inversores rectificadores los cuales están conectados entre si en corriente continua, los dos lados del alternador pueden estár conectados a redes las cuales no necesitan están estár a la misma frecuencia ni a la misma tensión, aunque en el caso de está simulación, los dos lados del alternador si se encuentran sincronizadas ( los dos lados tienen el mismo voltaje y frecuencia). 16 Ilustración 7: coordenadas dqo En el grafico se puede ver como tras aplicar la transformada de Parke conseguimos los componentes id iq y vd del sistema trifásico coordenado dqo, habiendo conseguido estos componentes, ahora nos es posible regular la potencia activa y reactiva en corriente continua 𝑃=𝑣𝑑∙𝑖𝑑 [6] 𝑄=𝑣𝑞∙𝑖𝑞 [7] Ajustando los valores de id vd nos es posible ajustar el valor de la potencia activa, si id se mantiene constante la potencia activa aumentara si aumentamos el valor de vd. Con la potencia reactiva pasa lo mismo, aumentando el valor de vq y manteniendo iq constante conseguimos el aumento de está. Es importante destácar que en un sistema de corriente continua el control de la potencia activa es usado para compensar los desequilibrios y distorsiónes de la corriente, además al estár en corriente continua la potencia reactiva no tiene tanta importancia como en alterna. 17 3.2.2 CONTROL DE UN FPL Ilustración 8: cambio abc a dqo Para realizar el cambio de coordenadas se emplearán bloques de cambio a dqo. Este tipo de bloques utilizan la transformada de Park para transformar una señal trifásica (abc) a otro sistema de referencia giratorio dq0, este concepto se profundizará más adelante, la posición angular del marco giratorio está dado por la entrada wt (En radianes). La salida de estos bloques dq0 a abc está conectada a un selector, el cual selecciona o reordena elementos específicos de una señal de entrada multidimensional, es decir este conjunto de bloques tienen como entrada las componentes Vabc y Iabc y como salida las componentes id, iq, ud, uq las cuales se usarán para variar la potencia activa y reactiva. También es posible emplear este tipo de bloques de manera inversa, es decir, transformar un sistema de referencia giratorio dq0 a uno trifásico abc que conste de tres fasores. Cuando la alineación del sistema giratorio se encuentra en wt=0, este está a 90º detrás del eje de la fase A. Esto se empleará más adelante. Para conseguir los valores de id y iq de referencia, se suman los valores de Vdc(en p.u es por eso que se divide entre Vdcbase) y 1 p.u (la Vdc deseada) a continuación se hacen pasar por un controlador PI el cual tiene un valor P de 2,2 y un valor I de 100, mediante este controlador se consigue mantener una variable de un proceso en un valor deseado. La salida de este controlador 18 está conectada a un interruptor el cual también tiene como entrada el valor de potencia activa deseada de está manera se consigue la id de referencia la cual va asociada a la potencia activa, y la iq de referencia va directamente asociada a la constante de potencia reactiva deseada. En la otra estáción conversora hay que tener en cuenta que la referencia de la potencia activa debe ir en negativo y la de la reactiva debe ser asígnada a la potencia reactiva del segundo tramo para que el sistema sea bidireccional. Ilustración 9: control P/Q Al obtener los valores de id y iq de referencia, estos van a ser utilizados para obtener la id y iq las cuales se usarán para variar la potencia activa y reactiva. A demás, se deben conseguir los valores de Ed y Eq de referencia los cuales posteriormente se utilizarán para obtener los disparos de puerta g de los inversores 3.2.3 CONTROL DE PWM Para que el convertidor sea capaz de generar sinusoides de manera correcta se debe emplear modulación por ancho o de pulso, es decir modulación PWM (Pulse width modulation), este es un tipo de modulación el cual varia el ancho de los pulsos de una señal de voltaje aplicada a una carga, manteniendo constante la frecuencia de conmutación. 19 Ilustración 10: SPWM y SVM En la ilustración 11 se puede apreciar la diferencia entre la modulación PWM(Pulse wide modulation) la cual se va a emplear en está simulación y la modulación SVM(Continous space vector modulation) Ilustración 11: ElProCus. (s.f.). PWM Inverter: Circuit, Working, Types, and Characteristics. En la modulación por PWM se usa un inversor para pasar la corriente de continua a alterna (DC/AC) y este se basa en la comparación de una señal de referencia la cual hay que modular y una señal portadora de forma triangular. Está comparación genera un tren de pulsos de ancho especifico que se utilizan en la conmutación del puente inversor. 20 Ilustración 12:(Posada Contreras, 2005) La relación de amplitudes entre la señal a modular y la señal portadora se llama índice de modulación: 𝑚𝑎=𝐴𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 [8] • Areferencia: Amplitud de la señal de referencia • Aportadora: Amplitud de la señal portadora La relación entre la frecuencia de la señal portadora y la señal de referencia se llama índice de frecuencia: 𝑚𝑓=𝐹𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐹𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟𝑎 [9] • Freferencia: Frecuencia de la señal de referencia • Fportadora: Frecuencia de la señal portadora Este índice de muestra la distorsión armónica de la señal de salida, la cual es una medida de su contenido armónico. Idealmente se debe dar que 𝑚𝑓>21 y la frecuencia de la portadora un multiplo de la de la frecuencia de la señal de la referencia. Teniendo claros estos conceptos ahora se da pie a que haya muchos tipos de modulación por PWM. El tipo de modulación PWM empleada en está simulación no es ninguna basada en señales portadoras puesto que se han utilizados bloques PWM generator y estos emplean señales de entrada para generar el tren de impulsos. Luego, el bloque utiliza este tren de impulso o tiempos de conmutación para generar los pulsos de control de los interruptores, como las formás de onda de modulación que este produce. En este caso el bloque PWM generator simula un muestreo de señal natural. 21 Ilustración 13: Muestreo de Señal El muestreo y la comparación se producen en los puntos de intersección de la onda de modulación y la onda portadora. Ilustración 14: Diferencias de señales moduladas 22 Ilustración 15: Generador de PWM y disparos de puerta g Utilizando los valores conseguidos de Ed y Eq de referencia del control de P y Q, mediante un bloque de PWM generator y el voltaje en corriente continua, se consiguen los disparos de puerta g, que posteriormente se utilizaran en el convertidor para poder pasar la corriente de continua a alterna. Para ello se debe realizar otro cambio de ejes de los valores de referencia de Ed y Eq puesto que a este bloque deben entrar los voltajes de referencia de manera sinusoidal, es por ello que es necesaria la implementación de otro bloque de cambio de coordenadas de dqo a abc. Este conjunto de bloques es igual en las dos partes del link. Ilustración 16: Monitorizacion Mediante los bloques que se pueden ver en la ilustración 16 se pueden ver los valores de Vdc, Vabc, Idc, Iabc, P y Q de la parte en corriente continua y la parte en corriente alterna, utilizando bloques de scope. En la parte de alterna se emplea un bloque Power (PLL-Driven), este bloque calcula la 23 potencia activa y reactiva de un conjunto periódico de voltajes y corrientes trifásicas, este bloque es necesatio ya que en la parte de corriente alterna estámos tratando con fasores, en cambio en la parte de corriente continua la P se obtiene de manera directa multiplicando Vdc y Idc, estos valores se mostraran más adelante, tras la explicación del funcionamiento del inversor y el rectificador. 3.2.4 INVERSOR Y RECTIFICADOR Para la variación de la corriente continua y alterna se van a emplear bloques de convertidores los cuales dentro de la opción de SIMSCAPE simulan un modelo equivalente de PWM. estos bloques de convertidores van a funcionar a un lado como rectificadores para pasar la corriente de alterna a continua y al otro como inversores para pasarla nuevamente a alterna . El bloque convertidor modela un convertidor controlado trifásico de seis pulsos que consta de tres brazos de puente. Cada brazo de puente contiene dos dispositivos de conmutación. El circuito del convertidor conecta una red de corriente alterna trifásica a una red de corriente continua si funciona como rectificador o conecta una red de corriente continua a una de corriente alterna trifásica si funciona como inversor. Estos convertidores, al estár utilizando señales PWM, simulan un modelo equivalente con estás señales PWM, pero no simulan un circuito equivalente de interruptores, esto realiza una simulación más rápida pero no tan realista. Ilustración 17: Rectificador En el primer tramo [AC/DC (P Q)] (ilustración 3) el convertidor funciona como rectificador como se puede ver en la ilustración 17. Por la entrada 1 entra la corriente en alterna para luego ser convertida a continua, regular la potencia activa y reactiva mediante el cambio de fase, empleando id y iq y ser mandado al inversor para que la convierta en alterna. Los valores de VabcI y IabcI es decir los valores de la corriente y voltaje del segmento I, el segmento de la entrada del link, son obtenidos mediante sensores de voltaje y corriente trifásicos, estos bloques toman medidas de los puertos 1 a 2 y tienen como salida un componente único de voltaje o corriente, a su vez a la entrada del convertidor se añade un filtro de inductancias en serie con un valor muy pequeño, de está manera la salida de la corriente y voltaje en continua son obtenidas a la salida del convertidor 24 por sensores de corriente y voltaje los cuales luego se introducirán en la segunda parte del link, la que permite cambiar de continua a alterna. Ilustración 18: Inversor En la ilustración 18 se puede ver el convertidor del subsistema [AC/DC (P Q)2] (ilustración 3) el cual tiene como entrada la corriente en continua que a salido del subsistema [AC/DC (P Q)2] para volver convertirlo a alterna, tras la regulación de las potencias activa y reactiva. Estos convertidores de potencia requieren de entrada los disparos de puerta [g] anteriormente conseguidos mediante el generador de PWM. Dentro del subsistema [1 disparos] esto es lo que se encuentra: Ilustración 19: Multiplexador de 6 pulsos Mediante el bloque multiplexador de seis pulsos que se puede ver en la ilustración 15 se direccionan las señales de voltaje de puerta a los seis dispositivos de conmutación del bloque del convertidor, el bloque multiplexa las seis señales de puerta separadas en un único vector. Ilustración 20: Disparos g entrando a convertidor 25 Este sería un ejemplo de los disparos de puerta entrando al convertidor de potencia para convertir la corriente de alterna a continua, estos disparos controlan la conmutación de los semiconductores. Durante la mitad del ciclo de la onda de entrada en alterna estos disparos permiten que la corriente solo fluya en una dirección convirtiendo así la corriente continua en alterna y viceversa, así mismo también controlan la fase de activación de los dispositivos de conmutación. Ilustración 21: Vdc . Ilustración 22: Potencia activa 32 Ilustración 32: constantes Las constantes, las cuales se pueden ver en la ilustración 32, son las que se han empleado en la parte de control, Vdc base es el valor base del voltaje en corriente continua, y V base y I base los valores base que se han utilizado para hacer la conversión a p.u • Solver: Cada red física representada por un diagrama de bloques de Simscape conectados requiere información de la configuración de solver para realizar la simulación. El bloque Solver Configuration especifica los parámetros de solver que el modelo necesita antes de poder comenzar la simulación. Ilustración 33: solver • Busbars: El bloque de Busbar o barra colectora es un conector para el análisis de flujo de carga. Este bloque se utiliza para redes trifásicas que son compatibles con el modo de simulación frecuenciatiempo. 33 Ilustración 34: Busbar Después de completar la simulación, el bloque añade una anotación que muestra el voltaje, fase, potencia activa y reactiva en cada uno de sus puertos de conservación eléctrica trifásicos en el momento que comenzó la simulación. Se disponen dos de estos bloques a cada lado de la línea de transmisión Pi. • Flexible Power link: El subsistema FPL es el cual contiene los dos subsistemas que contienen los bloques [AC/DC (P Q)] y [AC/DC (P Q)2], los cuales se pueden ver en la ilustración 3, en su totalidad cada subsistema de estos contiene los elementos de electrónica de potencia para cambiar la corriente de alterna a continua y viceversa como se ha explicado anteriormente, y también los componentes de cambio de base de abc a dqo que hacen posible el control de la potencia activa y reactiva. Ilustración 35: Flexible power link Este subsistema está dotado de una máscara la cual contiene los datos de la Potencia Activa en I y la Potencia Reactiva en I y en II, los cuales se emplean como valores base, para que las regulaciones de estás se den p.u. 34 Ilustración 36 De está manera el subsistema FPL nos permite finalmente regular la potencia activa y reactiva de los dos lados de la línea. Ilustración 37: Máscara de flexible power link 4.ESTUDIO DE RESULTADOS OBTENIDOS El objetivo principal del link es brindar flexibilidad a la red mediante la variación de la potencia activa en corriente directa. Para realizar el estudio de los resultados obtenidos se hará un muestreo con varios casos de funcionamiento. 35 4.1.PRIMER CASO DE FUNCIONAMIENTO Para empezar, en la máscara del Flexible Power Link se aplicaran una potencia activa de 0,5 p.u, una potencia reactiva en I de 0 p.u y una potencia reactiva en II de 0,3 p.u. este caso de funcionamiento se va aplantear durante un tiempo de simulación de 5 segundos Ilustración 38: Valores asignados para primer caso Ilustración 39: VabcI en p.u 36 Ilustración 40: IabcI en p.u En las ilustraciones 39 y 40 se puede ver como el voltaje y la corriente son sinusoides trifásicos que entran a la entrada del link. Si se amplia la imagen se puede apreciar lo siguiente: Ilustración 41: VabcI en p.u ampliado 37 Ilustración 42: IabcI en p.u ampliado En las ilustraciones 41 y 42 se pueden ver las señales trifásicas de la corriente y el voltaje del segmento I ampliados, en los primeros milisegundos se da una pequeña interferencia en los sinusoides, esto se debe a que los sistemas eléctricos experimentan transitorios cuando se encienden y estos pueden afectar de manera que crean interferencias en la señal, dada la calidad siguiente de los sinusoides estás interferencias iniciales no deben considerarse un problema mayor. Pese a estás pequeñas interferencias, el voltaje y la intensidad de entrada se mantienen estábles y los sinusoides tienen la forma requerida. Los tres sinusoides del voltaje consigue oscilar entre los valores -1 y 1 p.u y los sinusoides que componen la corriente trifásica oscilan entre 0,4953p.u y – 0,4975 p.u. estábleciendo la consigna de la potencia activa. Ilustración 43: PI en p.u En la ilustración 43 se puede ver la señal de la potencia activa en p.u en el segmento I de la línea, es decir en el segmento perteneciente a la parte la cual corresponde a la línea Pi, es decir a la 38 izquierda de el link. Está señal se mantiene estáble en el valor de 0,5 p.u asignado en la máscara y se estábiliza en un valor cercano a 0,5 segundos. Ilustración 44: Datos de señal de PI En la ilustración 44 se puede ver como el valor máximo que se consigue de potencia activa en el segmento I es de 0,5058 p.u el cual se da en el segundo 2,035 a demás, el valor pico son iguales al valor máximo de 0,5058 p.u , el valor medio es de 0,5044 p.u el cual supone una variación de 0,0044 p.u, al ser un valor tan pequeño y que se desvía tan poco de la consigna de 0,5 p.u se considera un valor aceptable. Ilustración 45: PI en p.u ampliado 39 En la ilustración 45 se puede ver una imagen ampliada del grafico anterior de la ilustración 43 el cual representa la P en el segmento I, está imagen representa mejor los datos mostrados en la ilustración 44. Ilustración 46: QI en p.u En la ilustración 46 se puede ver la señal de la potencia reactiva en el segmento I de la línea, se puede ver como tiene algo más de distorsión que la potencia activa, y como se más adelante, la potencia reactiva tiene más distorsión que la potencia reactiva del segmento II. La señal se estábiliza en un tiempo previo a 0,5 segundos y en el valor de 0 p.u el cual se le ha sido asignado en la máscara del flexible power link, tiene un pico negativo al inicio esto se debe a por como se calcula la potencia reactiva con valores instantáneos. Ilustración 47: Datos de señal de QI 40 En la ilustración 47 se puede ver como el valor máximo de la potencia reactiva en el segmento I es de 0,004053 p.u, este valor es muy cercano al valor de 0 p.u asignado en la máscara por lo que no se considera un error mayor, el valor mínimo es de -0,02419 p.u y se da previo a la estábilización del sistema, el valor pico es de 0,02825 p.u y el valor medio es de 0,00003047 p.u, este valor medio es más que aceptable teniendo una variación muy leve del valor de 0 p.u asignado en la máscara Ilustración 48: QI en p.u ampliado En la ilustración 48 se puede ver una imagen ampliada de la potencia reactiva en el segmento I de la línea mostrado en la ilustración 46 donde se pueden ver mejor representados los parámetros mostrados en la ilustración 47. 41 Ilustración 49: VabcII en p.u I Ilustración 50: IabcII en p.u I En las ilustraciones 49 y 50 se pueden ver el voltaje y la corriente trifásicas en el segmento II de la línea es decir el segmento de la derecha del link, se puede ver como el link no ha variado ni el voltaje ni la corriente, estos sinusoides siguen siendo correctos. El voltaje oscilando entre los valores de 1p.u y -1p.u y la corriente oscilando entre los valores 0,4953p.u y – 0,4975 p.u, estos valores serán los valores consigna de la potencia activa, es decir el link ha conseguido variar la potencia activa y potencia reactiva perteneciente a cada segmento sin haber alterado los valores de la corriente y el voltaje a los dos lados de este. Es remarcable está característica del flexible power link, puesto que esto es uno de sus principales objetivos y ha sido conseguido. 48 Ilustración 62: VabcI en p.u ampliado II Ilustración 63: IabcI en p.u ampliado II 49 En las ilustraciones 60 a 63 se pueden ver como en el apartado anterior los sinusoides de la corriente y el voltaje en el segmento I, son correctos, así como los sinusoides tienen la forma necesaria. El voltaje se mantiene entre los valores de 1p.u y -1 p.u y la corriente se mantiene otra vez entre los valores de 0,4953p.u y – 0,4975 p.u, estábleciendo así la consigna para conseguir los - 0.5 p.u de la potencia activa. Ilustración 64: PI en p.u II Como se ve en la ilustración 64, la potencia activa consigue estábilizarse como lo ha hhecho en el primer caso de funcionamiento en el valor de -0.5 p.u, es decir se confirma la variación en la dirección del del flujo de está. Ilustración 65: Datos de señal PI en p.u II 50 En la ilustración 65 se puede ver que el mínimo de la potencia activa se da en -0,4849 p.u, con el mismo valor entre picos, y el valor medio se da en -0,4842 p.u el cual es un valor medio algo más lejano a la consigna que en el primer caso de funcionamiento, aun así se considera un valor aceptable, cercano a la consigna de -0.5 p.u. Ilustración 66: QI en p.u II En cuanto a la potencia reactiva del segmento I se puede ver como consigue estábilizarse en el valor de -0.3 p.u, esto es debido a que se está midiendo en la dirección contraria al flujo de está. Ilustración 67: Datos de señal QI en p.u II 51 El valor mínimo de la potencia reactiva es de -0,3081 p.u y el valor entre picos es de 0,3081 p.u , esto es por que la señal empieza desde el máximo de 0 hasta el mínimo de -0,3081 p.u, el valor medio se da en -0,3070 p.u, el cual tiene una variación de 0,0070 p.u de la consigna que se le ha impuesto en la máscara de 0,3 p.u por lo que es un valor correcto. Ilustración 68: Vabc en p.u II Ilustración 69: IabcII en p.u II 52 Ilustración 70: Vabc en p.u ampliado II Ilustración 71: IabcII en p.u ampliado II En las ilustraciones 68 a 71 se pueden ver las señales de voltaje y corriente del segmento II de la línea, se puede ver como en el caso de funcionamiento anterior, los sinusoides son correctos y se mantienen en los valores que deben mantenerse, el voltaje se mantiene oscilando entre 1p.u y - 1p.u , y la corriente se mantiene entre 0,4953p.u y – 0,4975 p.u, la cual se utilizara como consigna para la potencia activa. 53 Ilustración 72: PII en p.u II En la ilustración 72 se puede ver como la potencia activa en el segmento II de la línea, se estábiliza en un valor cercano a 0.5 p.u asignado en la consigna, en un tiempo cercano a 0,4 segundos. Ilustración 73: Datos de señal PII en p.u II En la ilustración 73 se pueden ver los datos de la señal de la potencia activa en el segmento II, el valor máximo es de 0,5073 p.u así como lo es también el valor entre picos, el valor medio es de 0,5066 p.u el cual tiene una desviación de 0,066 p.u del valor de 0,5 p.u asignado en la máscara. 54 Ilustración 74: QII en p.u II En la ilustración 74 se puede ver la señal de la potencia reactiva en el segmento II de la línea, está se estábiliza en el valor de -0.3 p.u, esto es debido, de nuevo, a que la medición se está dando en la dirección contraria a la que está fluyendo la potencia reactiva, como pasaba en el caso de funcionamiento anterior. Ilustración 75: Datos de señal QII en p.u II 55 En la ilustración 29, se puede ver como el valor mínimo es de -0,3050 p.u el cual es algo menor al dado en el caso de funcionamiento anterior y un valor de -0,3039 p.u el cual tiene una desviación de 0,0039p.u del valor exigido en la máscara de -0,3 p.u por lo que se considera un valor correcto. 5. PLANIFICACION En está sección se expone el proceso de planificación llevado a cabo para la realización de la simulación realizada en simscape así como el análisis de está y los conceptos interiorizados. Al comienzo del proyecto la propuésta principal fue la de realizar un HVDC (High voltaje direct current), por lo que se comenzó con el estudio de tipos de cables XLPE y inversores NPC, así como realizando el estudio de varias simulaciones de índole didáctica que se encuentran en el foro de matlab, y un estudio de documentación relacionada con este tipo de proyectos. Posteriormente viendo la complejidad que adquiría el proyecto, se decidio realizar el cambio de este por el estudio de un Flexible Power Link y la simulación de este, puesto que son proyectos de indole similiar, ambos afectando ala flexibilidad en la distribución eléctrica y teniendo involucrados componentes de electrónica de potencia como inversores y rectificadores, así mismo el conocimiento adquirido para la primera propuésta del proyecto podría ser reutilizado. El desarrollo de la simulación comenzó teniendo como referencia una simulación realizada en Simulink Power Systems, extrapolando está simulación bloque a bloque de está herramienta de Simulink a Simscape Eléctrical, dado que Power Systems se basa en el análisis de redes a gran escala, se dieron ciertas complejidades a la hora de realizar la simulación en Simscape eléctrical, dado a que este tiene diferentes bibliotecas de componentes de electrónica de potencia. A demás, se generaban distorsiónes muy grandes del voltaje y la corriente dependiendo de que bloques de inversores y su configuración se empleaban. Una vez realizada la simulación, comenzó el estudio de está, de todas las partes que componen está, tanto la parte eléctrica como de electrónica de potencia como de control, y posteriormente se realizaron lo estudios de casos de funcionamientos diferentes para confirmar que el flexible power link era capaz de variar la potencia activa y la potencia reactiva en los segmentos I y II correctamente. 56 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Propuésta de proyecto Recabar informacion Cambio de objetivo Realizacion de simulación Casos de funcionamiento Redaccion Ilustración 76: Diagrama de Gantt 6.CONCLUSIONES Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los dos casos de funcionamiento y comparando con los objetivos planteados al principio del trabajo de fin grado se pueden estrapolar las siguientes conclusiones. El link ha conseguido su objetivo principal el cual es variar la potencia activa y reactiva sin alterar el resto de la línea , los valores obtenidos de la potencia activa como reactiva en los segmentos I y II se han conseguido con una variación mínima. A demás, se demuestra la bidireccionalidad del sistema, asígnando diferentes valores de potencia reactiva en los dos segmentos de la línea, y cumpliendo la distribución de estos. Se puede barajar este tipo de alternativas en cuanto a la flexibilidad de las líneas eléctricas, sustituyendo otro tipo de soluciones como bancos de condensadores… etc. La flexibilidad en las redes eléctricas es fundamental para garantizar la estabilidad y eficiencia de los sistemas modernos, a medida que se vayan implementando más fuentes de generación renovable y el panorama energético evoluciona la característica de la flexibilidad se convertirá en una característica clave para la distribución de las redes eléctricas del futuro. 57 Mediante este tipo de soluciones, se permite gestionar las fluctuaciones de la potencia activa y reactiva en la red con la caraceteristica de ser bidireccional, permitiendo así la operación y intercambio de potencia entre sistemas energéticos. 7. PRESUPUESTO Ingeniero Senior 60€/h 80h Ingeniero Junior 20€/h 200h Licencia Matlab 30,00€ SIMULINK 20,00€ Portatil 275,00€ TOTAL 9125,00€