DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTRUCTURA DUAL PARA EMULACIÓN DE SISTEMAS DE CONVERSIÓN BASADOS EN ENERGÍAS RENOVABLES

S.A. VERNE; P.E. BATTAIOTTO; C. MANCINI; J. ANDERSON

La Plata

Conferencia; Séptimas Jornadas de Investigación,Transferencia, Extensión y Educación; 2023

Universidad Nacional de La Plata

El desarrollo de estrategias de control sobre los sistemas de generación renovable es un tópico de gran interés. La validación de las mismas mediante plataformas de ensayo experimental es una instancia necesaria cuyos resultados permiten mejorar la comprensión y el modelado de los fenómenos bajo estudio. Sin embargo, disponer de los artefactos de conversión mecánica, en conjunto con los recursos energéticos correspondientes (viento,agua, etc.), resulta impráctico pudiendo citarse algunos de sus inconvenientes y limitaciones:- La característica en el eje impulsor depende de la condición climática o del recurso, que no es reproducible en forma sistemática a voluntad del operador.- Son artefactos complejos cuya instalación impone condicionamientos edilicios y de infraestructura.- No son flexibles en cuanto a sus características constructivas, limitando el universo de casos de análisis.ELECTROTECNIA- No permite reproducir comportamientos mecánicos propios de los sistemas reales como inercia, fenómenos elásticos, entre otros.Teniendo esto en cuenta, y que en una gran parte de los sistemas de conversión renovable,la potencia colectada es convertida y direccionada a un eje motriz rotativo, resulta conveniente disponer de un eje “de laboratorio” capaz de emular las características del eje real, permitiendo recrear en forma sistemática y repetible una gran variedad de tipos y escenarios de conversión. Este concepto no es nuevo, y se implementa utilizando una máquina eléctrica operando como motor y alimentada desde la red eléctrica en forma controlada. Habitualmente, el uso de los emuladores se orienta hacia la reproducción de la característica del eje impulsor de turbinas eólicas con el propósito de ensayar algoritmos de control sobre otra máquina acoplada a dicho eje, actuando como generador eléctrico en diversos contextos de generación renovable y redes eléctricas. Sin embargo, un enfoque dual puede hacerse en el eje de carga, esto es, conceptualizando la máquina de carga en forma genérica de manera que en el eje de dicha máquina pudieran emularse cargas programables. En el contexto de generación renovable esto reviste interés pues permite analizar el comportamiento de cada uno de los terminales bajo operación estática y/o disturbios dinámicos en el otro terminal.Con respecto a la implementación de los emuladores, la máquina más utilizada es el motor de corriente continua (MCC) por su sencillez de control de par y velocidad. Sin embargo,el motor de inducción con rotor en jaula de ardilla controlado mediante estrategias de campo orientado (FOC) posee características similares al MCC en términos de controlabilidad y precisión, con un menor tamaño y bajo mantenimiento. En se presenta un emulador con máquina impulsora de inducción mediante algoritmo de control FOC para motor de inducción, en forma similar a donde se desarrolla un algoritmo FOC para un impulsor basado en una máquina sincrónica de imanes permanentes. En ambos trabajos la estrategia FOC se implementó utilizando electrónica de potencia ad-hoc, lo cual complejiza el diseño y dificulta la puesta en marcha del sistema en su conjunto.Otro punto a considerar son los requerimientos de alimentación del impulsor y la gestión de la energía producida por la máquina de carga. En dicha energía es disipada en bancos de resistores, lo que se traduce en la producción de grandes cantidades de calor que es preciso evacuar. Esta situación puede ser altamente inconveniente en casos en que las dimensiones del sitio de instalación son reducidas. Por otra parte, en la energía generada es reinyectada a la red a través de un inversor, pero esto requiere un diseño específico del mismo, de la red de acoplamiento y de la electrónica necesaria para el sincronismo con la red eléctrica.En este trabajo se presentan resultados preliminares de un banco de prueba para la emulación dual de un par motriz y un par resistente sobre un eje solidario. El sistema tiene por objetivo representar puntos de funcionamiento programables en el plano par-velocidad de acuerdo con modelos prestablecidos en donde un eje actúa como fuente de energía(conversor primario) y el otro como sumidero (carga mecánica). Ambos puertos mecánicos son implementados a través de dos máquinas de inducción jaula de ardilla alimentadas a partir de variadores electrónicos (VFD) de uso industrial. La conexión compartida del bus de tensión continua de ambos variadores disminuye al mínimo el consumo de energía y por lo tanto los requerimientos para la instalación del sistema. A su vez, elimina la producción de grandes cantidades de calor, la instalación de bancos resistivos y de electrónica específica para la reinyección de potencia a la red.Se describe la estructura del sistema y su funcionalidad para el uso en el contexto de investigación y docencia. Asimismo, se presentan sus potencialidades para el estudio de estrategias de control de generación y emulación de cargas mecánicas en el contexto de lasfuentes alternativas de energía.