Post on 18-Oct-2021
Treball de Fi de Màster
Màster Universitari en Enginyeria Industrial
Modelització i operació de diferents tipologies d’una
microxarxa aïllada
MEMÒRIA
Autor: Gerard Argilés Mor
Director: Oriol Gomis-Bellmunt
Ponent:
Convocatòria: Juny 2021
Escola Tècnica Superior
d’Enginyeria Industrial de Barcelona
2 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
3 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Resum
L’increment dels recursos de generació renovables i de sistemes d’emmagatzematge presenten un
nou paradigma de sistemes energètics. Els sistemes de microxarxes aïllades de les zones rurals o
illes tradicionalment han basat el seu funcionament en l’operació de generadors dièsel. No
obstant, els recursos de generació renovables i de sistemes d’emmagatzematge ajuden a disminuir
la dependència d’aquests tipus de generadors.
Amb aquest punt de partida, aquest treball tracta de modelitzar i operar diferents tipologies de
microxarxa aïllada, basada en un generador dièsel, un sistema fotovoltaic, un sistema
d’emmagatzematge i els convertidors VSC (Voltage Source Converter).
El sistema fotovoltaic s’ha modelitzat junt amb el seu control de MPPT. El convertidor VSC s’ha
estudiat en base al seu model simplificat i se n’ha dissenyat les dues estratègies de control que
permeten la seva operació en mode grid-feeding i mode grid-forming. Pel que fa al generador
dièsel, s’han seleccionat els controls adequats per a les operacions desitjades, així com els valors
de paràmetres que permeten obtenir respostes el més robustes i estables possible.
Primerament s’ha realitzat l’operació del generador dièsel sota diferents condicions, d’on se n’ha
observat les afectacions produïdes pels canvis de càrrega. A continuació s’ha operat una tipologia
de microxarxa híbrida, on el generador dièsel i el sistema fotovoltaic operen de manera
satisfactòria. Amb el generador dièsel mantenint la tensió i freqüència de xarxa, s’ha pogut
observar les dinàmiques del control del convertidor grid-feeding del sistema fotovoltaic. També
s’ha observat com les diferents faltes de línia provoquen desequilibris en els corrents i tensions
de la microxarxa. Finalment, s’ha operat una microxarxa amb el sistema fotovoltaic i el sistema
de bateries aconseguint que el convertidor grid forming generari la tensió i freqüència de xarxa
necessària per a l’operació en paral·lel del convertidor greed-feeding.
S’ha observat que la naturalesa inercial del generador dièsel, presenta més inestabilitat de xarxa
que el convertidor grid-forming.
4 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Índex 1. Introducció.................................................................................................................. 8
1.1. Objectius del projecte ................................................................................................ 8
1.2. Abast ......................................................................................................................... 8
2. Microxarxa aïllada .................................................................................................... 10
2.1. Problemàtiques d’operació ...................................................................................... 11
2.1.1. Límits de freqüència ........................................................................................ 11
2.1.2. Faltes de línia .................................................................................................. 11
1.1. Presentació del sistema ............................................................................................ 12
1.2. Adaptació de les unitats de generació i emmagatzematge ...................................... 13
2. Sistema fotovoltaic .................................................................................................... 15
2.1. Modelització dels panells fotovoltaics .................................................................... 15
2.1.1. Formulació i modelització ............................................................................... 15
2.1.2. Paràmetres del panell fotovoltaic .................................................................... 17
2.2. Validació del model: corbes característiques I-V, P-V ........................................... 18
2.3. Modelització del MPPT .......................................................................................... 20
3. Convertidor VSC ...................................................................................................... 22
3.1. Modelització del convertidor VSC .......................................................................... 22
3.2. Convertidor VSC grid feeding ................................................................................ 23
3.2.1. Disseny del control .......................................................................................... 23
3.3. Convertidor VSC grid forming................................................................................ 30
3.3.1. Disseny del control .......................................................................................... 30
4. Generador dièsel ....................................................................................................... 36
4.1. Màquina síncrona .................................................................................................... 36
4.1.1. Sistema constructiu ......................................................................................... 36
1.1.2. Principi de funcionament ..................................................................................... 36
1.1.3. Model màquina síncrona ...................................................................................... 37
4.2. Control del generador dièsel.................................................................................... 38
4.2.1. Sistema d’excitació ......................................................................................... 38
4.2.2. Regulador de velocitat ..................................................................................... 41
5. Operació i resultats ................................................................................................... 43
5.1. Generador dièsel connectat a càrrega ...................................................................... 43
5.1.1. Paràmetres de la simulació .............................................................................. 43
5.1.2. Esquema del model ......................................................................................... 47
5.1.3. Resultats .......................................................................................................... 48
5.2. Generador dièsel amb sistema fotovoltaic ............................................................... 52
5 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.2.1. Paràmetres de la simulació .............................................................................. 52
5.2.2. Esquema del model ......................................................................................... 55
5.2.3. Resultats .......................................................................................................... 56
5.3. Sistema fotovoltaic amb sistema de bateries ........................................................... 67
5.3.1. Paràmetre de la simulació................................................................................ 67
5.3.2. Esquema del model ......................................................................................... 69
5.3.3. Resultats .......................................................................................................... 70
6. Pressupost ................................................................................................................. 74
6.1. Cost de recursos humans ......................................................................................... 74
6.2. Cost infraestructura tècnica ..................................................................................... 74
6.3. Cost total ................................................................................................................. 75
7. Impacte ambiental .................................................................................................... 76
8. Conclusions ............................................................................................................... 77
8.1. Línies de treball futures ........................................................................................... 77
Agraïments ....................................................................................................................... 79
Referències ....................................................................................................................... 80
6 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Índex de Figures
Figura 1. Esquema d'una microxarxa aïllada. Font [5]................................................................ 10
Figura 2. Sistema format pel generador dièsel i la càrrega. ........................................................ 12
Figura 3. Microxarxa formada pel generador dièsel, sistema fotovoltaic i càrrega .................... 12
Figura 4. Microxarxa formada pel sistema fotovoltaic, sistema de bateries i càrrega ................ 13
Figura 5. Adaptació del sistema fotovoltaic a la xarxa mitjançant el convertidor VSC. Font [13]
..................................................................................................................................................... 13
Figura 6. Adaptació del sistema d'emmagatzematge a la xarxa mitjançant el convertidor VSC.
Font [13][13] ............................................................................................................................... 14
Figura 7. Estructura física d'una cel·la fotovoltaica. Font: [14] .................................................. 15
Figura 8. Model del díode únic per una cel·la fotovoltaica i circuit equivalent d'un mòdul amb
les corresponents resistències en sèrie i paral·lel. Font:[14] ....................................................... 15
Figura 9. Script de Matlab amb paràmetres i condicions d'operació del mòdul.......................... 18
Figura 10. Efecte de la irradiància incident al panell. ................................................................. 18
Figura 11. Efecte de la temperatura a la superfície del panell..................................................... 19
Figura 12. Efecte de l'associació de panells en sèrie. .................................................................. 19
Figura 13. Efecte de l'associació de panells en paral·lel. ............................................................ 20
Figura 14. Model del MPPT basat en el mètode de tensió de circuit obert ................................. 21
Figura 15. Esquema del convertidor VSC: Model convencional (esquerra) i model simplificat
(dreta) amb les dues parts AC i DC. Font [13] ............................................................................ 22
Figura 16. Model equivalent de la banda AC del convertidor VSC. ........................................... 23
Figura 17. Esquema de control general del convertidor VSC, en cas d'estar connectat a una font
de generació renovable [13]. ....................................................................................................... 24
Figura 18. Esquema de blocs del Llaç de Seguiment de Fase. Font [13] .................................... 24
Figura 19. Esquema de blocs del regulador de voltatge DC. Font [13] ...................................... 25
Figura 20. Esquema de blocs del regulador de voltatge DC amb Simulink. ............................... 26
Figura 21. Estructura d'un sistema de control clàssic. Font [21] ................................................. 28
Figura 22. Modelització del llaç de corrent pel convertidor grid feeding. .................................. 29
Figura 23. Esquema de control general del convertidor VSC grid forming. ............................... 30
Figura 24. Modelització del llaç de tensió pel convertidor grid forming .................................... 32
Figura 25. Modelització del llaç de corrent pel convertidor grid forming. ................................. 33
Figura 26. Flux de potència a través d'una línia (esquerra). Diagrama fasorial de tensió
(dreta).[26] .................................................................................................................................. 33
Figura 27. Rectes característiques del control de droop de la freqüència i tensió per a línies amb
un comportament inductiu. [26] .................................................................................................. 34
Figura 28. Modelització del control de droop. ............................................................................ 35
Figura 29. Tipus constructius de les màquines síncrones de potència elevada (superior als 10
kVA). Esquerra: màquina síncrona de pols sortints. Dreta: màquina síncrona de pols llisos. [28]
..................................................................................................................................................... 36
Figura 30. Diagrama de blocs del control del sistema d'excitació. Font [32] ............................. 38
Figura 31. Excitador AC rotacional amb un rectificador no controlat. [35] ............................... 39
Figura 32. Sistema d'excitació tipus AC1C. [35] ........................................................................ 40
Figura 33. Paràmetres del sistema d'excitació AC1A del IEEE. ................................................. 40
Figura 34. Modelització del regulador de velocitat isòcron i del motor dièsel. .......................... 41
Figura 35. Resultat de l'escombrat de la constant, Ta. ................................................................ 44
Figura 36. Resultats del primer escombrat la constant Kr. ......................................................... 45
Figura 37. Esquema del model format pel generador dièsel i una càrrega variable. ................... 47
Figura 38. Modelització del generador dièsel. ............................................................................ 47
7 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 39. Potència i tensió del generador en l’operació normal. ............................................... 48
Figura 40. Freqüència del generador per una operació normal. .................................................. 49
Figura 41. Potència i tensió del generador sota condicions exigents .......................................... 50
Figura 42. Freqüència del generador per una operació sota condicions exigents. ...................... 51
Figura 43. Tensió de xarxa i freqüència del generador sobrecarregat ......................................... 52
Figura 44. Resposta del generador dièsel sense la inicialització de corrents de línia. ................ 53
Figura 45. Perfil d’irradiància i temperatura pel període de les 9 h a les 19 h. ........................... 53
Figura 46. Esquema de la microxarxa operada amb generador dièsel i sistema fotovoltaic. ...... 55
Figura 47. Variació del corrent DC en funció de la irradiància i de la temperatura (mínimament).
..................................................................................................................................................... 56
Figura 48. Efecte del control del llaç de tensió al bus de tensió DC. .......................................... 57
Figura 49. Corrents de referència i corrents mesurats del VSC amb el sistema fotovoltaic en la
referència qd. ............................................................................................................................... 58
Figura 50. Intensitats de línia trifàsiques del convertidor VSC. ................................................. 58
Figura 51. Tensions aplicades pel VSC amb el sistema fotovoltaic en la referencia qd i tensions
de xarxa en la referencia qd. ........................................................................................................ 59
Figura 52. Balanç de potències de la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, una càrrega
càrrega variable i el generador dièsel. ......................................................................................... 60
Figura 53. Tensió i freqüència de la microxarxa generada pel generador dièsel. ....................... 61
Figura 54. Potència reactiva injectada pels panells i consumida pel generador dièsel. ............. 62
Figura 55. Tensió de xarxa durant una falta per derivació en la fase A. ..................................... 63
Figura 56. Intensitats durant la falta de curtcircuit d'una fase-terra (dreta). Detall de la fase A de
la intensitat durant la falta (esquerra). ......................................................................................... 64
Figura 57. Intensitats trifàsiques durant una falta en sèrie en la fase A ...................................... 65
Figura 58. Tensió de xarxa (dalt). Detall de la tensió de xarxa durant la falta en sèrie en la fase
A (baix). ...................................................................................................................................... 66
Figura 59. Esquema de la microxarxa operada amb convertidors grid forming i grid feeding. .. 69
Figura 60. Detall tensió al condensador Vcq. ............................................................................. 70
Figura 61. Tensions als condensadors i tensions aplicades a la banda AC del convertidor grid-
forming. ....................................................................................................................................... 70
Figura 62. Corrents circulants per la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, sistema de
bateries i càrrega. ........................................................................................................................ 71
Figura 63. Balanç de potències de la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, sistema
d’emmagatzematge i càrrega. ...................................................................................................... 72
Figura 64. Balanç de potències de la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, sistema
d’emmagatzematge i càrrega. Cas càrrega petit (10 kW constants). ........................................... 72
Figura 65. Freqüència de la microxarxa generada pel grid forming converter. .......................... 73
8 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
1. Introducció L’emergència climàtica actual ve derivada per l’increment continuat de les temperatures des de
la meitat del segle XX. Aquest increment està directament relacionat amb l’augment de les
emissions generades en la crema de combustibles fòssils per tal de satisfer les necessitats
energètiques creixents. Això ha impulsat noves polítiques i tendències per tal d’incrementar la
integració de les energies renovables al sistema elèctric. No obstant, existeixen regions i zones
rurals que no estan interconnectades amb la xarxa elèctrica convencional, fet que implica
dependre de generadors dièsel per cobrir la demanda elèctrica. Tot i així, l’increment de la
factibilitat econòmica i tècnica de les tecnologies renovables fan que la seva integració en
sistemes aïllats de la xarxa elèctrica sigui una prioritat [1]. Això també comporta la introducció
de convertidors per tal de connectar aquestes tecnologies renovables al sistema elèctric i gestionar
de manera correcta els fluxos de potencia alhora que controlin paràmetres com la freqüència i la
tensió del sistema. Aquests sistemes, conformats per unitats de generació distribuïda i
d’emmagatzematge distribuït que alimenten càrregues properes es coneixen com a xarxes o
microxarxes aïllades.
Així doncs, el present projecte estudia diferents tipologies de microxarxa aïllada, basada en un
sistema de generació distribuïda convencional, com és el generador dièsel, sistemes de generació
distribuïda renovable, com són els panells fotovoltaics, i sistemes d’emmagatzematge distribuït,
aquest dos últimes, amb els seus respectius convertidors.
En capítol 1 es fa una introducció general a la microxarxa aïllada, es presenta problemàtiques
d’operació de la microxarxa, els sistemes estudiats i l’adaptació de les unitats de generació i
emmagatzematge a la xarxa. En el capítol 2 es presenta la modelització del sistema fotovoltaic.
En el capítol 3 es presenta la modelització i el disseny de control de convertidor VSC. En el capítol
4 s’estudia el generador dièsel i els seus controladors. En el capítol 5 es presenten els resultats de
les operacions tant del generador dièsel com de les microxarxes aïllades. En els capítols 6, 7 i 8
es presenten el pressupost, l’impacte ambiental i les conclusions.
1.1. Objectius del projecte El principal objectiu del projecte és el disseny i la modelització de diferents tipologies de
microxarxes aïllades, validar-ne el funcionament i estudiar-ne la seva operació. Per això, cal
assolir el seguit d’objectius intermedis que es mostren a continuació:
• La modelització dels panells fotovoltaics i l’estudi del seu control.
• La modelització del convertidor Voltage Source Converter (VSC) i l’estudi i disseny de
les estratègies necessàries per al seu control, tant pel convertidor VSC en mode grid-
forming, com pel convertidor VSC en mode grid-feeding.
• L’estudi de les característiques i la modelització dels diferents components d’un
generador dièsel així com l’anàlisi dels seus elements de control.
• La identificació de problemàtiques d’operació d’una microxarxa aïllada i d’observar-ne
la seva influència durant l’operació d’una microxarxa.
1.2. Abast L’abast de l’estudi dels elements que conformen els diferents modes d’operació de la microxarxa
és el següent:
• El disseny i modelització del convertidor VSC en el seu mode grid-feeding i en el seu
mode grid-forming serà una modelització del convertidor simplificat de dos nivells.
• La modelització d’un sistema fotovoltaic format per una associació de mòduls sèrie-
paral·lel es basarà en la formulació bàsica del model d’un únic díode. Així mateix, el seu
control de seguiment del punt de màxima potència (MPPT) és basa en un tipus d’MPPT
9 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
que no implica la incorporació d’elements d’electrònica de potència en el model de
Simulink.
• Referent al generador dièsel, la seva modelització i control es realitzarà a partir de blocs
predeterminats, en els que s’estudiarà la influència dels principals paràmetres de control
mitjançant simulacions dinàmiques i aplicant criteris qualitatius per la selecció dels
paràmetres de major influència en la resposta del generador. L’estudi de les equacions
elèctriques de la màquina síncrona del generador dièsel queden fora de l’abast del treball.
Les problemàtiques de la microxarxa que es tractaran seran els límits de freqüència i l’afectació
de les faltes de línia.
Totes les operacions de la microxarxa seran basades en simulacions dinàmiques fetes amb
Simulink. Es tractaran els següents modes d’operació: la primera formada per un únic generador
dièsel i una càrrega, la segona formada per un generador dièsel, un sistema fotovoltaic i una
càrrega; i la tercera formada per un sistema fotovoltaic (amb un convertidor grid-feeding) i una
sistema d’emmagatzematge, representat per unes sistema de bateries (amb un convertidor grid-
forming).
10 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
2. Microxarxa aïllada El Microgrid Exhange Group del Departament d’Energia dels Estats Units defineix una
microxarxa com “un grup interconnectat de càrregues i de recursos energètics distribuïts dins
d’uns límits elèctrics clarament identificats que actuen com una única entitat controlable respecte
de la xarxa. Poden connectar-se i desconnectar-se de la xarxa per permetre la seva operació tant
en mode on-grid com off-grid.” [2].
Com ja s’ha introduït anteriorment les microxarxes es caracteritzen per tenir una proximitat entre
els elements de generació i els punts de consum. Això implica una sèrie d’avantatges com un
increment de l’eficiència i reducció de les pèrdues en la transmissió. Altres avantatges són [2]:
• Permetre la modernització i integració de múltiples tecnologies de xarxa intel·ligents.
• Reforçar la integració d’energies renovables i distribuïdes per reduir pics de demanda i
reduir les pèrdues de transmissió.
• Assegurar el subministrament d’energia per carregues crítiques demandades per l’usuari
final, controlant la qualitat de potència i promovent també la participació dels usuaris en
la gestió de la demanda.
• Ajudar a la xarxa elèctrica principal amb la gestió de càrregues sensibles i amb la
variabilitat de la generació renovable.
Pel que fa a les microxarxes aïllades, aquestes poden subministrar energia en sistemes conformats
des de petites i mitjanes comunitats fins a grans zones rurals o remotes (com poden ser les illes).
Es calcula que el 54 % (l’any 2016) de la capacitat total instal·lada en microxarxes, actuen de
manera aïllada en zones rurals o remotes on encara no hi ha accés a la xarxa elèctrica. [3]
Els elements de generació poden ser de generació controlada (dispatchable) o no controlada (non-
dispatchable). Les fonts de generació controlada es basen principalment en generadors dièsel, tot
i que també ho poden ser les microturbines o les piles de combustible. El generador dièsel és la
font de generació distribuïda més popular, econòmica i fiable en una microxarxa [4]. Generen
directament amb corrent altern i per tant són capaços d’establir la tensió i freqüència de xarxa
necessària pel correcte funcionament de la microxarxa. La seva escalabilitat és molt flexible i per
tant pot subministrar un ampli rang de potències segons les necessitats del sistema; típicament
des dels 8 kVA fins als 2000 kVA generant a 50 Hz. Les fonts de generació renovables (no
controlables), més comunes en una microxarxa, són l’energia fotovoltaica i l’energia eòlica. Els
convertidors de potència són l’element clau per a la integració d’aquests recursos renovables a les
microxarxes.
Figura 1. Esquema d'una microxarxa aïllada. Font [5]
11 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
2.1. Problemàtiques d’operació Com en qualsevol sistema elèctric, existeixen múltiples problemàtiques i reptes a l’hora de de
realitzar-ne l’operació i assegurar-ne l’estabilitat. De la mateixa manera, aquestes mateixes
problemàtiques són extensibles a l’operació d’una microxarxa aïllada. En el present treball se’n
descriuen dos d’aquestes problemàtiques i que quedaran tractades en les simulacions de l’apartat
5.
2.1.1. Límits de freqüència
A diferència de les microxarxes interconnectades amb la xarxa, les microxarxes aïllades no tenen
uns estàndards específics que regulin els límits de freqüència del sistema [6]. Per tant, aquests
límits depenen principalment del tipus de generació i de les càrregues concretes. No obstant, la
norma ISO 8528-5:2005, que especifica criteris de disseny i de rendiment dels equips formats per
motors de combustió interna i generadors de corrent altern, es pot prendre com a guia per estipular
els límits de freqüència que ha de complir, en aquest cas, el generador dièsel [[6],[7]]. Segons els
requisits d’operació de les unitats de generador dièsel utilitzades en el present treball, aquestes es
poden emmarcar en la classificació G1 i G2 establertes per la norma ISO 8528-1:2005 [8]. Els
generadors de classe G1 són aquells que només requereixen de l’especificació dels paràmetres
bàsics de tensió i freqüència a la que treballen, ja que alimenten càrregues de caràcter general,
com l’enllumenat i altres càrregues elèctriques simples. Els generadors de classe G2, per altra
banda, generen una tensió amb característiques molt similars a les de la xarxa de distribució del
sistema elèctric i que per tant responen als canvis de càrrega amb la desviació de tensió i
freqüència corresponen. Els grups generadors tipus G2 poden alimentar càrregues típicament
industrials com sistemes d’enllumenat i ventilació i amb parells mecànics característics com el de
les turbomàquines, el dels mecanismes d’elevació, el de les bobinadores o el de les polidores.
Contretament la norma ISO 8528-5:2005 especifica els següents rangs de desviació de freqüència
respecte els valors nominal d’operació:
Tipus de desviació de freqüència Tipus de generador
G1 G2
Estacionaria positiva [%] +2,5 +1,5
Estacionaria negativa [%] -2,5 -1,5
Transitòria positiva [%] +18 +12
Transitòria negativa [%] -15 -10 Taula 1. Desviacions de freqüència respecte el valor nominal d'operació segons la norma ISO 8528-5:2005. Font
[8].
De manera que per una operació normal dels generadors tipus G1 i G2 es pot considerar un rang
de ± 1,25 𝐻𝑧 i ± 0,75 𝐻𝑧 sobre la freqüència nominal, respectivament. En canvi per una
operació crítica o transitòria, com en casos en que es produeixin grans pertorbacions com un canvi
molt gran de càrrega, es considera uns límits de ± 9 𝐻𝑧 i ± 6 𝐻𝑧 sobre la freqüència nominal pels
generadors tipus G1 i G2 respectivament.
2.1.2. Faltes de línia
Les faltes que es produeixen en les línies d’un sistema elèctric a poden classificar-se de manera
general en faltes en sèrie (series faults) o faltes per derivació (shunt faults) [9].
Les faltes en sèrie són anomalies de la línia en que les impedàncies de les tres fases no són iguals,
degut normalment, a la interrupció d’una de les línies al quedar en circuit obert [10][10].
En les faltes per derivació les fases de línia entren en contacte entre elles o amb el terra provocant
curtcircuits. Les faltes per derivació poden ser poden ser del tipus del tipus simètriques o
asimètriques. Les faltes simètriques inclouen les faltes on les tres fases entren en contacte entre
12 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
elles o amb el terra. Les faltes asimètriques inclouen les faltes que es produeixen d’una fase-terra,
de dues fases-terra o de fase-fase. Durant les faltes asimètriques es perd la simetria dels corrents
i tensions del sistema elèctric.[10]
La freqüència de la incidència de les línies degut als diferents tipus de faltes depenen del tipus de
sistema elèctric (per exemple si són línies aèries o subterrànies) i d’altres factors com les
condicions naturals i meteorològiques de l’entorn [11]. En cas de produir-se una falta, s’acostuma
a interrompre el circuit gràcies a les proteccions instal·lades que permeten obrir el circuit, aïllant
la secció més petita possible de la microxarxa, per tal de que s’extingeixi l’arc de manera natural
i posteriorment tornar a tancar el circuit. Degut a que el temps de duració és un paràmetre crític
en l’estabilitat del sistema [12], les proteccions tenen una ràpida actuació. Típicament, els temps
d’interrupció van dels 0,5 fins a 1 o 2 minuts [11]. A mode orientatiu, els percentatges aproximats
de les faltes ocorregudes en un sistema elèctric amb línies aèries es poden distribuir tal i com es
mostra a continuació.
Tipus de falta Ocurrència [%]
Una fase-terra 70 ÷ 80
Dues fases-terra 17 ÷ 10
Fase-fase 10 ÷ 8
Tres fases 3 ÷ 2 Taula 2. Distribució dels percentatges de les faltes ocorregudes en sistemes amb línies aèries. Font: [11]
1.1. Presentació del sistema Els diferents sistemes estudiats es presenten com un generador dièsel operant sol i dues tipologies
de microxarxa.
El primer mode d’operació es tracta d’un generador dièsel operant de manera aïllada i connectat
a una càrrega dinàmica o variable. Per tant en aquesta simulació, la potència serà subministrada
únicament pel generador dièsel.
Figura 2. Sistema format pel generador dièsel i la càrrega.
La primera tipologia de microxarxa presentada d’un sistema híbrid on el sistema fotovoltaic amb
el seu respectiu convertidor i que contribuirà a cobrir la demanda de la càrrega.
Figura 3. Microxarxa formada pel generador dièsel, sistema fotovoltaic i càrrega
13 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
La segona tipologia de microxarxa es compon d’un generador dièsel, un sistema fotovoltaic i d’un
sistema de bateries amb els seus respectius convertidors. No obstant, en aquest sistema, la línia
del generador dièsel queda inoperativa de manera que durant tota la operació, el control assignat
a cadascun dels convertidors, permetrà el correcte funcionament de la microxarxa i cobrir la
demanda sol·licitada.
Figura 4. Microxarxa formada pel sistema fotovoltaic, sistema de bateries i càrrega
Algunes consideracions sobre els sistemes que s’estudiaran són:
• El sistema de tensions serà a un sistema trifàsic de 400 V a 50 Hz.
• Tot i que no s’han incorporat impedàncies de línia, s’assumirà que les línies de distribució
de la microxarxa tindran una predominança inductiva, per sobre de la component
resistiva.
• En tots tres modes d’operació només hi haurà un únic bus per tal de simplificar-ne
l’estudi.
1.2. Adaptació de les unitats de generació i emmagatzematge Com ja s’ha introduït anteriorment, algunes de les unitats de generació i el sistema
d’emmagatzematge, requereixen de convertidors per tal de d’adaptar-se el corrent i tensió
generada a la xarxa.
Sistema fotovoltaic
El sistema de generació renovable consisteix en un sistema de panells fotovoltaics interconnectat
amb la xarxa a través d’un inversor. Els panells fotovoltaics es poden considerar com una font de
corrent continu. Cal notar que la font de corrent continu i la part DC del convertidor VSC estan
connectats per un condensador de derivació (condensador tipus shunt) que assegura el balanç de
potència entre la xarxa i els panells fotovoltaics. A aquesta connexió se l’anomena bus de contínua
o bus DC.
Figura 5. Adaptació del sistema fotovoltaic a la xarxa mitjançant el convertidor VSC. Font [13]
Cal tenir en compte que els convertidors (també anomenats inversors) que connecten la
fotovoltaica amb la xarxa poden ser del tipus central (si tot el sistema està connectat un
convertidor), d’string (cada string connectat a un convertidor i per tant treballant de manera
independent), o micro-inversors (cada mòdul te el seu propi convertidor, maximitzant així la
14 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
potencia de cada mòdul). En el present treball, per simplicitat, s’utilitza el tipus de convertidor
central.
Taula 3. Inversor central (a), d'string (b) i micro-inversor (c).
Sistema d’emmagatzematge
El sistema d’emmagatzematge, conformat per un sistema de bateries el modela es pot interpretar
com una font de tensió contínua i que està connectat directament a la part DC del convertidor.
Figura 6. Adaptació del sistema d'emmagatzematge a la xarxa mitjançant el convertidor VSC. Font [13][13]
En les dues adaptacions anterior la part AC del convertidor VSC i la xarxa és necessari la
incorporació d’unes inductàncies que formen part d’un filtre per tal d’establir una connexió suau
entre la xarxa i el convertidor. Depenent del tipus d’estratègia de control del convertidor, tal i com
es veurà més endavant, aquest filtre també pot disposar d’un condensador connectat a terra.
15 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
2. Sistema fotovoltaic En el present apartat es presentarà la modelització dels panells fotovoltaics a partir de la
formulació del comportament elèctric d’una cel·la fotovoltaica així com també se’n validarà el
model a partir de les corbes característiques I-V, P-V dels panells.
2.1. Modelització dels panells fotovoltaics
2.1.1. Formulació i modelització
Un mòdul fotovoltaic es representa com l’agrupació d’un conjunt de cel·les fotovoltaiques.
L’estructura física de les cel·la la component: dos capes de semiconductors p-n, una base
metàl·lica i un xarxa metàl·lica en la seva part superior. La incidència i absorció de llum a la
cel·la genera portadors de càrregues a la junció p-n que originen corrent elèctric si la cel·la es
curtcircuita. Les càrregues elèctriques es van acumulant als terminals del dispositiu fotovoltaic.
[14]
Figura 7. Estructura física d'una cel·la fotovoltaica. Font: [14]
El model de díode únic assumeix que un díode es prou precís per representar el comportament
d’una cel·la fotovoltaica. Altres models més complexes són els models de doble o triple díode. El
model dels mòduls fotovoltaics (el dispositiu pràctic fotovoltaic) es basa en el model de díode
únic presentat en [14] però inclou l’efecte de les resistències en sèrie i paral·lel. La resistència en
sèrie és deguda a les resistències de contacte de la base i la xarxa metàl·lica i les juncions p-n,
mentre que la resistència en paral·lel s’origina pels defectes en la fabricació de la cel·la.
Figura 8. Model del díode únic per una cel·la fotovoltaica i circuit equivalent d'un mòdul amb les corresponents
resistències en sèrie i paral·lel. Font:[14]
L’expressió pel corrent d’una cel·la fotovoltaica ideal és:
𝐼 = 𝐼𝑝𝑣,𝑐𝑒𝑙𝑙 − 𝐼0,𝑐𝑒𝑙𝑙 [𝑒(
𝑞𝑉𝑎𝑘𝑇
) − 1] (1)
On:
𝐼𝑝𝑣,𝑐𝑒𝑙𝑙: corrent generat per la llum incident.
𝐼0,𝑐𝑒𝑙𝑙: corrent de saturació del díode
𝑞: càrrega de l’electró (1, 60217646 · 10−19 [𝐶])
𝑘: constant de Boltzman (1,3806503 · 10−23 [𝐽
𝐾])
𝑇: temperatura de la junció p-n
16 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
𝑎: factor d’idealitat (entre 1 i 1,5)
𝑉: tensió als terminals del dispositiu
Per altra banda, en el present treball, per la modelització del mòdul fotovoltaic, s’ha emprat
directament la formulació matemàtica que descriu el comportament d’un mòdul fotovoltaic i que
determina el corrent generat, I.
𝐼 = 𝐼𝑝𝑣 − 𝐼0 [𝑒(
𝑉+𝑅𝑠 𝐼𝑉𝑡 𝑎
) − 1] −
𝑉 + 𝑅𝑠 𝐼
𝑅𝑝
(2)
On:
𝑅𝑠: resistència equivalent en sèrie del mòdul
𝑅𝑝: resistència equivalent en paral·lel del mòdul
El voltatge tèrmic del mòdul, 𝑉𝑡, s’expressa amb l’equació (3), sent T la temperatura a la
superfície del mòdul.
𝑉𝑡 =𝑁𝑠𝑘 𝑇
𝑞(3)
On:
Ns: nombre de cel·les connectades en sèrie del mòdul.
El corrent generat per la irradiància incident, 𝐼𝑝𝑣, depèn linealment de la irradiació i també està
influïda per la temperatura tal i com es descriu a l’equació (4).
𝐼𝑝𝑣 = (𝐼𝑝𝑣,𝑛 + 𝐾𝐼 ∆𝑇) (𝐺
𝐺𝑛) (4)
On:
𝐼𝑝𝑣,𝑛: corrent generat per la irradiància incident en condicions nominal (25 º𝐶 i 1000 [𝑊
𝑚2])
∆𝑇: diferència entre la temperatura a la superfície del panell i la temperatura nominal (𝑇 − 𝑇𝑛)
G i 𝐺𝑛: irradiació i irradiació nominal incident a mòdul en [𝑊
𝑚2]
𝐾𝐼: coeficient de temperatura de corrent de curt-circuit.
L’expressió del corrent de saturació del díode, 𝐼0, que depèn fortament de la temperatura del
mòdul, s’expressa amb l’equació (5).
𝐼0 = 𝐼0,𝑛 (𝑇𝑛
𝑇)
3
𝑒(
𝑞𝐸𝑔
𝑎𝑘)(
1𝑇𝑛
− 1𝑇
)(5)
𝐼0,𝑛 =𝐼𝑠𝑐,𝑛
𝑒
𝑉𝑜𝑐,𝑛
(𝑎 𝑉𝑡,𝑛) − 1
(6)
No obstant les equacions (5) i (6) poden quedar substituïdes per l’equació (7) tal i com es proposa
en [14]. L’equació (7), que introdueix el coeficient de temperatura del voltatge de circuit obert,
𝐾𝑉, i el de corrent de curtcircuit, 𝐾𝐼, proporcionats pel fabricant, permet determinar el voltatge de
17 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
circuit obert (en comparació amb aquells valors obtinguts experimentalment) d’una manera més
acurada en una ampli rang de temperatures. A més, el model es simplifica i es cancel·la l’error al
voltant dels punts de tensió de circuit obert i en altres regions de la corba I-V.
𝐼𝑂 =𝐼𝑠𝑐,𝑛 + 𝐾𝐼 ∆𝑇
𝑒𝑉𝑜𝑐,𝑛+𝐾𝑉 ∆𝑇
𝑎 𝑉𝑡 − 1
(7)
A partir d’aquest model, es poden realitzar associacions sèrie-paral·lel d’un conjunt de mòduls
per formar arrays per tal d’augmentar la tensió generada, en el cas d’associar mòduls en sèrie, o
augmentar el corrent sortint, en cas d’associar strings en paral·lel.
La modelització completa del mòdul o associació sèrie-paral·lel d’un conjunt de mòduls en
Matlab/Simulink es pot consultar a l’Annex I.
2.1.2. Paràmetres del panell fotovoltaic
Les característiques del mòdul emprat corresponen al panell comercial LG395N2W-V5. És un
panell monocristal·lí de silici amb 72 cel·les connectades en sèrie. Disposa d’una eficiència del
19,1 % i presenta una gran versatilitat tant pel que fa a les diferents aplicacions en que es pot usar
com a l’escalabilitat del sistemes fotovoltaics que pot conformar.
Propietats elèctriques (STC*)
Màxima potència [W] 395
Voltatge del punt de màxima potència [V] 40,2
Corrent del punt de màxima potència [A] 9,83
Tensió de circuit obert, 𝑉𝑜𝑐,𝑛 [V] 49,2
Corrent de circuit obert, 𝐼𝑠𝑐,𝑛 [A] 10,43
Eficiència del panell [%] 19,1
Potència de tolerància [%] 0 ~ +3
* STC (Codicions d'assaig estàndard): irradiació 1000 W/m2, temperatura de la cel·la 25 ºC, AM 1.5
Característiques de temperatura
NMOT* [ºC] 42±3
Pmax [% / ºC] -0,36
Voc [% / ºC] -0,26
Isc [% / ºC] 0,02 * NMOT (Nominal Module Operating Temperature): Irradiació 800 W/m2, temperatura ambient 20 ºC, velocitat del vent 1 m/s, espectre AM 1,5
Taula 4. Propietats elèctriques i característiques de temperatura del panell LG395N2W-V5. Font [15]
Cal tenir en compte que amb les dades proporcionades pel fabricant, el coeficient 𝐾𝑉 i el coeficient
𝐾𝐼 cal expressar-los en [V/K] i [A/K] respectivament, per tal poder calcular el corrent de saturació
del díode, 𝐼𝑂.
𝐾𝑉 [𝑉
𝐾] =
Voc [%ºC]
100· 𝑉𝑜𝑐,𝑛 (7)
𝐾𝐼 [𝐴
𝐾] =
Voc [%ºC]
100· 𝐼𝑠𝑐,𝑛 (8)
18 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
2.2. Validació del model: corbes característiques I-V, P-V El model es valida observant l’efecte de la variació de la irradiància, variació de la temperatura,
variació de mòduls en sèrie i variació strings en paral·lel.
El resum de tots els paràmetres del panell i les condicions d’operació escollides per a la validació
dels mòduls es troben a continuació:
Figura 9. Script de Matlab amb paràmetres i condicions d'operació del mòdul.
Per generar les corbes I-V i P-V amb Simulink, és necessari entrar com a tensió de sortida del
panell, V, una rampa que permet fer un escombrat de tots els valors d’intensitat i potencia que
genera el panell (o l’array)
L’efecte de la irradiància incident en el mòdul concorda amb contribució de l’equació (4), Ipv,
sobre l’equació de corrent sortint, I. A més irradiància més corrent i per tant més potència
generada pel mòdul.
Figura 10. Efecte de la irradiància incident al panell.
19 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
També cal observar que, lleugerament, la tensió del punt de màxima potència es desplaça cap a
la dreta en amb l’augment de la irradiància. A partir del càlcul analític se’n pot comprovar l’efecte:
Irradiació [W/m2] 1000 800 600 400 200
Tensió de potència màxima [V] 40,267 40,123 39,8240 39,239 37,922 Taula 5. Relació de tensió de potència màxima dels panells en funció de la irradiació.
De les corbes de l’efecte temperatura en la superfície del panell es conclou que una operació dels
panells en ambients de temperatura elevada comporta una disminució de la seva potència
generada.
Figura 11. Efecte de la temperatura a la superfície del panell.
Un augment de mòduls en sèrie suposa mantenir el corrent de curtcircuit constant mentre que
implica l’increment de la tensió de circuit obert.
Figura 12. Efecte de l'associació de panells en sèrie.
20 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Un augment dels strings en paral·lel suposa l’increment de la intensitat de curtcircuit mentre que
la tensió de circuit obert es manté constant.
Figura 13. Efecte de l'associació de panells en paral·lel.
2.3. Modelització del MPPT Com s’ha vist anteriorment, la no linealitat de les corbes característiques I-V i la seva variació en
funció de la temperatura i irradiància (o també per exemple, degut a una afectació parcial d’ombra
sobre el panell), fan que el punt d’operació dels mòduls en el que se’n pot extreure la seva màxima
potència variï. Per tant és necessari implementar tècniques de seguiment del punt de màxima de
potència o MPPT (Maximum Power Point Tracking) [16]. Aquestes tècniques representaran el
control de DC del convertidor VSC, és a dir la banda on aniran connectats els panells.
Les tècniques més comunes són les de Pertub&Observe (P&O). Aquestes implementen un senzill
algorisme basat en la iteració i que tracta d’anar pertorbant a intervals regulars el voltatge
d’operació per fer oscil·lar el punt d’operació al voltant del punt de màxima potència. És un
mètode força acurat, però lent i no adequat per canvis ràpids de condicions. [16].
Pel que fa a la modelització en Simulink, el P&O implica la incorporació d’un convertidor Boost
que eleva la tensió de sortida respecte de la entrada en base a les senyals de PWM determinades
per la sortida de l’algorisme P&O. A part, la implementació d’un convertidor Boost també
representa dimensionar els seus elements com la inductància, el díode i l’interruptor, i que
provoquen en una distorsió de les senyals resultants de les simulacions realitzades més endavant.
És per això que, per tal de simplificar el model, s’ha optat per la incorporació d’un MPPT basat
en el mètode de tensió de circuit obert. Aquest MPPT permet imposar als panells la tensió del
punt de màxima potència, 𝑉𝑚𝑝𝑝.
Es tracta de calcular la tensió del punt de màxima potencia dels panells fotovoltaics a partir de la
seva tensió de circuit obert degut a que aquestes dues tensions són directament proporcionals tal
i com s’observa en les cores característiques I-V i P-V. El factor proporcional, 𝐾1, estar comprés
entre 0,70 i 0,90 depenent de les característiques i la tecnologia del panell [16], [17], [18].
𝑉𝑚𝑝𝑝(𝑇) = 𝐾1 𝑉𝑜𝑐(𝑇) (9)
21 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
La tensió de circuit obert dels panells depèn sensiblement de la temperatura de les cel·les
fotovoltaiques dels panells. El coeficient de temperatura de circuit obert característic de cada
panell, 𝐾𝑉𝑜𝑐𝑛 , modificarà la tensió de circuit obert respecte a la tensió en condicions STC (25 º𝐶),
𝑉𝑜𝑐(𝑇𝑟𝑒𝑓), tal i com mostra l’equació (10) [19]:
𝑉𝑜𝑐(𝑇) = 𝑉𝑜𝑐(𝑇𝑟𝑒𝑓) (1 + 𝐾𝑉𝑜𝑐𝑛 (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)) (10)
A banda de la seva simplicitat d’implementació, el principal avantatge d’aquest MPPT és el baix
cost de càlcul de simulació.
La tensió del punt de màxima potència, 𝑉𝑚𝑝𝑝(𝑇), serà la tensió de referència desitjada del bus de
contínua DC de la banda DC del convertidor VSC.
Figura 14. Model del MPPT basat en el mètode de tensió de circuit obert
22 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
3. Convertidor VSC En apartats anteriors ja s’ha introduït el convertidor VSC i com aquests permeten la connexió
entre la xarxa i els sistemes fotovoltaics i de bateries. Els convertidors VSC poden operar en tres
modes d’operació: grid-feeding, grid-forming o grid-supporting.
En aquest es presenta la modelització del convertidor VSC i el disseny de les estratègies de control
de dos modes diferents d’operació dels convertidors VSC, com són el grid-feeding i el grid-
forming.
3.1. Modelització del convertidor VSC Per tal d’estudiar el control del convertidor VSC, cal simplificar-ne el model, en que l’esquema
inicial del convertidor basat en les branques d’IGBTs es veurà reduït i dividit en dues parts, la
banda DC i la banda AC [13]. La banda DC es modela com una font corrent controlada amb un
condensador shunt connectat en paral·lel, mentre que la banda AC es modela mitjançant tres fonts
de tensió alterna controlades.
Figura 15. Esquema del convertidor VSC: Model convencional (esquerra) i model simplificat (dreta) amb les dues
parts AC i DC. Font [13]
L’element que representarà l’intercanvi de potencia entre la banda AC a DC del convertidor, serà
la font de corrent de la banda DC, que estarà controlada segons l’equació (11).
𝐼𝐷𝐶𝑙 =𝑃𝑎𝑐
𝐸𝐷𝐶
(11)
On:
𝐼𝐷𝐶𝑙: corrent de la font de corrent controlada de la banda DC del convertidor
𝑃𝑎𝑐: potència intercanviada entre la xarxa i la banda AC del convertidor
𝐸𝐷𝐶 : tensió del bus de tensió contínua
Modelització de la connexió banda AC del convertidor amb la xarxa
Per tal de connectar les tres fonts de tensió alterna de la banda AC del convertidor amb la xarxa,
és necessari incorporar unes inductàncies d’acoblament junt amb les seves resistències
equivalents. D’aquesta manera les tres fonts de tensió alterna de la banda AC del convertidor es
consideren com a fonts de corrent i per tant, és possible elèctricament connectar amb la xarxa.
El sistema d’equacions en la referència abc que descriu la diferència de tensió entre la tensió de
xarxa i la tensió del convertidor, queda plantejat com:
[
𝑣𝑧𝑎
𝑣𝑧𝑏
𝑣𝑧𝑐
] − [
𝑣𝑙𝑎
𝑣𝑙𝑏
𝑣𝑙𝑐
] − (𝑣𝑙0 − 𝑣𝑧0) [111
] = [
𝑟𝑙 0 00 𝑟𝑙 00 0 𝑟𝑙
] [
𝑖𝑎
𝑖𝑏
𝑖𝑐
] + [
𝑙𝑙 0 00 𝑙𝑙 00 0 𝑙𝑙
]𝑑
𝑑𝑡[
𝑖𝑎
𝑖𝑏
𝑖𝑐
] (12)
On:
𝑣𝑧𝑎 , 𝑣𝑧𝑏 , 𝑣𝑧𝑐: tensions trifàsiques instatànies de la banda de la xarxa en la referència a,b,c
23 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
𝑣𝑙𝑎 , 𝑣𝑙𝑏 , 𝑣𝑙𝑐: tensions trifàsiques instantànies de la part AC del convertidor en la referència a,b,c
𝑖𝑙𝑎 , 𝑖𝑙𝑏 , 𝑖𝑙𝑐: corrents trifàsics instantànies de la part AC del convertidor en la referència a,b,c
𝑙𝑙: valor de la inductància d’acoblament
𝑟𝑙: resistència equivalent de la inductància d’acoblament
Figura 16. Model equivalent de la banda AC del convertidor VSC.
Amb l’aplicació de la transformada de Park (veure Annex) es pot passar de la referència abc a la
referència qd0, de manera que el sistema d’equacions expressat com en l’equació (12).
[𝑣𝑧𝑞
𝑣𝑧𝑑] − [
𝑣𝑙𝑞
𝑣𝑙𝑑] = [
𝑟𝑙 −𝑙𝑙𝜔𝑒
𝑙𝑙𝜔𝑒 𝑟𝑙] [
𝑖𝑞
𝑖𝑑] + [
𝑙𝑙 00 𝑙𝑙
]𝑑
𝑑𝑡[𝑖𝑞
𝑖𝑑] (13)
On:
𝑣𝑧𝑞 , 𝑣𝑧𝑞: tensions de xarxa en la referència qd
𝑣𝑙𝑞 , 𝑣𝑙𝑞: tensions de la part AC del convertidor en la referència qd
𝜔𝑒: velocitat angular de la xarxa elèctrica
Modelització de la connexió banda DC del convertidor amb els panells fotovoltaic
Com ja s’ha vist en apartats anteriors, per connectar la banda DC del convertidor i els panells
fotovoltaic cal connectar un condensador shunt per tal de convertir la font de corrent (banda DC
convertidor) en una font de tensió.
3.2. Convertidor VSC grid feeding El convertidor VSC en mode d’operació grid feeding està destinat principalment entregar la
potència a un sistema connectat que disposi d’una xarxa convencional o generada per altres
generadors. La seva principal característica és la seva capacitat per controlar de manera
independent el flux de potència activa i reactiva [20]. En el cas dels sistemes d’emmagatzematge
la gestió del flux ha de poder ser bidireccional.
El convertir grid feeding és el més usat pels diferents elements de generació renovable (i
emmagatzematge) distribuïda i per tant són capaços d’operar en paral·lel amb altres convertidors
en el mateix mode [1].
3.2.1. Disseny del control
Com ja s’ha comentat, el sistema de control és capaç de controlar les consignes de potència activa
i reactiva de manera separada.
Per una banda, la consigna de potencia reactiva vindrà donada per un nivell més alt i extern de
control, com és la figura de l’operador de la xarxa elèctrica.
Per altra banda, les referències de potencia activa dependran de la font connectada a la banda DC
del convertidor VSC. En el cas de tenir connectada una font de generació renovable, la potència
de referència de potència activa s’ajusta per tal de mantenir la tensió del bus DC constant, i així
assegurar que s’evacua tota la potència generada per la font renovable. En el cas de tenir connectat
24 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
un sistema d’emmagatzematge, la potència activa de referència s’ajusta per carregar o descarregar
el sistema en funció de l’operació pròpia de cada sistema d’emmagatzematge
Figura 17. Esquema de control general del convertidor VSC, en cas d'estar connectat a una font de generació
renovable [13].
Aquest control es basa un sistema de dos nivells en cascada: un nivell més intern anomenat llaç
de corrent i un més extern anomenat regulador de voltatge DC o llaç de tensió DC.
Els controladors treballen amb tensions i corrents en la referència qd0 i que roten per tal d’ajustar
l’angle elèctric de la xarxa. Aquest fet farà que sigui necessari la implementació del Phase Locked
Loop, per tal de mesurar l’angle elèctric de les tensions de la xarxa. Aquest angle també servirà
per aplicar les transformades i antitransformades de Park (veure Annex) necessàries per passar de
la referència abc a qd0 i qd0 a abc, respectivament.
3.2.1.1. Phase Locked Loop
El Llaç de Seguiment de Fase o Phase Locked Loop (PLL en anglès), a part d’assegurar 𝑣𝑑 = 0,
permetrà calcular tant l’angle com la velocitat angular de la xarxa elèctrica. Tal i com es mostra
en l’esquema de blocs, la transformada de Park realitza una realimentació de la tensió 𝑣𝑧𝑑∗ al
controlador.
Figura 18. Esquema de blocs del Llaç de Seguiment de Fase. Font [13]
El controlador de la PLL pot venir donat per la següent expressió:
𝐾𝑓 (𝑠) = 𝐾𝑝 (
1𝜏𝑃𝐿𝐿
+ 𝑠
𝑠 ) (14)
𝐾𝑓 (𝑠) = 𝐾𝑝 1
𝜏𝑃𝐿𝐿 𝑠+ 𝐾𝑝 (15)
25 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
La constant proporcional , 𝐾𝑝, i la constant de temps, 𝜏𝑃𝐿𝐿, del controlador es poden calcular
mitjançant les expressions següents:
𝜔𝑛 = √𝐾𝑝 𝐸𝑚
𝜏𝑃𝐿𝐿
(16)
𝜉 =√𝜏𝑃𝐿𝐿 𝐾𝑝 𝐸𝑚
2(17)
On:
𝐸𝑚: amplitud màxima de tensió admesa. Pren el valor, 𝐸𝑚 = 230 √2 [𝑉].
𝜉 ∶ factor d’amortiment de la PLL. Per obtenir una resposta sub-amortiguada s’assigna el valor,
𝜉 = 0,707
𝜔𝑛: velocitat angular de la xarxa. Pren el valor, 𝜔𝑛 = 2𝜋𝑓 = 100 𝜋 [𝑟𝑎𝑑/𝑠]
Amb aquests valors els paràmetres 𝐾𝑝 i 𝜏𝑃𝐿𝐿 prenen els valors de 1,3601 i 0,0045 [𝑠]
respectivament.
3.2.1.2. Càlcul dels corrents de referència
Cal calcular els corrents de referència 𝑖𝑞∗ i 𝑖𝑑
∗ s’utilitzen les expressions extretes de la teoria de
potencia instantània en el marc de referència síncrona [13][13]. És a dir:
𝑃∗ =3
2(𝑣𝑧𝑞 𝑖𝑞
∗ + 𝑣𝑧𝑑 𝑖𝑑∗ ) (18)
𝑄∗ =3
2(𝑣𝑧𝑞 𝑖𝑑
∗ − 𝑣𝑧𝑑 𝑖𝑞∗) (19)
Tenint en compte que la PLL assegura la tensió en la referència qd0 𝑣𝑑 = 0, els corrents de
referència es poden calcular com:
𝑖𝑞∗ =
2
3
𝑃∗
𝑣𝑧𝑞
(20)
𝑖𝑑∗ =
2
3
𝑄∗
𝑣𝑧𝑞
(21)
3.2.1.3. Regulador de voltatge DC
El regulador de voltatge DC de l’esquema de control general, és necessari per controlar el voltatge
del bus DC, de manera que es pugui assegurar el correcte balanç entre la potencia generada per la
font de generació (fotovoltaica) i la potencia injectada a la xarxa. Representa el llaç més exterior
dels dos llaços que formen el control en cascada a dos nivells. A continuació es mostra l’esquema
de blocs del regulador:
Figura 19. Esquema de blocs del regulador de voltatge DC. Font [13]
26 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 20. Esquema de blocs del regulador de voltatge DC amb Simulink.
Pel control del regulador de voltatge DC s’aprofita l’esquema feed-forward (que mesura les
pertorbacions conegudes i s’avança al seu efecte) [13]. De manera que, tenint com a paràmetre a
controlar el quadrat de la tensió del bus DC, 𝐸𝐷𝐶2 , (ja que s’aprofita que és proporcional a l’energia
emmagatzemada al condensador i que la sortida del controlador és la potencia activa a injectar al
condensador, 𝑃𝐶∗), aquesta es compara amb el quadrat del voltatge desitjat al bus DC, 𝐸𝐷𝐶
2 ∗, per
tal d’obtenir l’error i el possible desequilibri de tensió del bus DC. El regulador de voltatge DC
incorpora un controlador, 𝐺𝑐𝐷𝐶(𝑠), i a la sortida d’aquest s’obté la referència de potència activa a
injectar al condensador, 𝑃𝐶∗, per mantenir la tensió de referència al bus DC. Aquesta potencia, tal
i com expressa l’equació (22), es suma amb la potencia mesurada abans del condensador, 𝑃𝐷𝐶,
per tal d’obtenir la potencia activa de referència, 𝑃∗, que el convertidor VSC haurà d’injectar.
𝑃∗ = 𝑃𝐶∗ + 𝑃𝐷𝐶 (22)
𝑃𝐷𝐶 = 𝐸𝐷𝐶 𝐼𝐷𝐶𝑚(23)
Finalment, mitjançant l’equació (20) s’obté el corrent de referència, 𝑖𝑞∗ .
Pel disseny del controlador, 𝐺𝑐𝐷𝐶(𝑠), és té en compte l’esquema feed-forward anterior de manera
que la potència del condensador, 𝑃𝑐(𝑠), és:
𝑃𝑐(𝑠) =1
2𝑠 𝐶 𝐸𝐷𝐶
2 (𝑠) (24)
De manera que la funció de transferència entre la potència del condensador i la variable de control,
és a dir, el quadrat de la tensió del bus DC, 𝐸𝐷𝐶2 , queda com:
𝐺𝐷𝐶(𝑠) =𝐸𝐷𝐶
2 (𝑠)
𝑃𝑐(𝑠)=
2
𝑠𝐶(25)
S’observa que, 𝐺𝐷𝐶(𝑠), es tracta d’una planta un conformada per un guany multiplicat per un
integrador i que per tant es podria fer ús d’un controlador únicament proporcional. Tot i això,
s’escull un controlador, 𝐺𝑐𝐷𝐶(𝑠), amb una part integradora per evitar l’error en estat estacionari
provocat per les pertorbacions. El controlador del tipus PI de la planta és:
𝐺𝑐𝐷𝐶(𝑠) = 𝐾𝑝𝐷𝐶 +
𝐾𝑖𝐷𝐶
𝑠(26)
On els valors de les constants proporcional i integral del controlador són
𝐾𝑝𝐷𝐶 = 𝐶𝜉𝐸𝜔𝐸 (27)
𝐾𝑖𝐷𝐶 =𝐶𝜔𝐸
2
2(28)
27 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
𝑂𝑛:
𝜉𝐸: factor d'amortiment desitjat del llaç de tensió del grid feeding
𝜔𝐸: velocitat angular del llaç de tensió del grid feeding
𝐶: capacitat del condensador del bus DC del grid feeding
Com s’ha esmentat anteriorment el llaç de tensió és el llaç més exterior del sistema de control.
Per tant les constants del controlador d’aquest llaç han d’assegurar una resposta força més lenta
que les constants del controlador del llaç de corrent (el més interior) i així assegurar una resposta
estable del sistema de control general. És per això que el valor de les constants d’aquest llaç de
tensió vindran determinades per la velocitat angular desitjada del llaç de tensió, 𝜔𝐸.
3.2.1.4. Llaç de corrent
El control del llaç de corrent s’encarrega del control del corrent altern en la referència qd0. Per
tant el llaç de corrent ajusta les tensions que el convertidor VSC ha d’aplicar en la seva part AC
per tal de que els corrents que suporta el convertidor siguin els corrents de referència calculats.
De manera que, les equacions que implementen el control del llaç de corrent, es basen en la
diferència de tensió entre les inductàncies, 𝑙𝑙, (i les seves resistències equivalents, 𝑟𝑙). Treballant
en la referència 𝑞𝑑, i assumint que la PLL fa que 𝑣𝑧𝑑 = 0, les equacions de la planta a controlar
són:
[𝑣𝑧𝑞
0] − [
𝑣𝑙𝑞
𝑣𝑙𝑑] = [
𝑟𝑙 −𝑙𝑙𝜔𝑒
𝑙𝑙𝜔𝑒 𝑟𝑙] [
𝑖𝑞
𝑖𝑑] + [
𝑙𝑙 00 𝑙𝑙
]𝑑
𝑑𝑡[𝑖𝑞
𝑖𝑑] (29)
L’anterior sistema d’equacions mostra que hi ha acoblament entre les component d i q de les
tensions i corrents. És a dir, que les dues tensions depenent dels dos corrents 𝑖𝑞 i 𝑖𝑑 alhora. Tal i
com es presenta en [13], serà necessari el desacoblament i control independent d’𝑖𝑞 i d’𝑖𝑑 com a
tècnica de control. Per aconseguir el desacoblament s’utilitzarà:
[𝑣𝑙𝑞
𝑣𝑙𝑑] = [
−𝑣𝑙𝑞 + 𝑣𝑧𝑞 − 𝑙𝑙𝜔𝑒𝑖𝑙𝑑
−𝑣𝑙𝑞 + 𝑙𝑙𝜔𝑒𝑖𝑙𝑞] (30)
De manera que 𝑣𝑙𝑞 i 𝑣𝑙𝑑 seran les tensions de sortida del llaç de corrent que el convertidor VSC
haurà d’aplicar a la seva part AC.
Substituint les tensions 𝑣𝑙𝑞 i 𝑣𝑙𝑑 en les equacions de tensions definides anteriorment, les tensions
a la sortida dels controladors del llaç de corrent queden com:
[𝑣𝑙𝑞
𝑣𝑙𝑑] = [
𝑟𝑙 00 𝑟𝑙
] [𝑖𝑞
𝑖𝑑] + [
𝑙𝑙 00 𝑙𝑙
]𝑑
𝑑𝑡[𝑖𝑞
𝑖𝑑] (31)
A partir de les equacions anteriors i un cop aplicada la transformada de Laplace, les plantes a
controlar presenten les següents funcions de transferència entre les tensions dels controladors i
els corrents que circulen a través del convertidor, són:
𝐺𝑖𝑞(𝑠) =
𝑖𝑞(𝑠)
𝑣𝑙𝑞(𝑠)=
1
𝑙𝑙𝑠 + 𝑟𝑙
(32)
𝐺𝑖𝑑(𝑠) =
𝑖𝑑(𝑠)
𝑣𝑙𝑑(𝑠)=
1
𝑙𝑙𝑠 + 𝑟𝑙
(33)
28 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Per tal de simplificar el procediment d’obtenció del controlador de la planta, s’utilitza la tècnica
de Internal Model Control (IMC) [21].
Figura 21. Estructura d'un sistema de control clàssic. Font [21]
Es farà ús d’un filtre passa-baixos 𝐿(𝑠), que conté la constant de temps, 𝜏, que marca la dinàmica
del llaç [22].
𝐿(𝑠) =1
1 + 𝜏𝑠(34)
Si es considera que el model intern, 𝐺(𝑠), és ideal, llavors la planta i el model intern són
equivalents, 𝐺(𝑠) = 𝐺(𝑠) [21]. La planta tindrà la forma:
𝐺(𝑠) = 𝐺(𝑠) =1
𝑟𝑙 + 𝑙𝑙 𝑠(35)
Si es té en compte que la planta 𝐺(𝑠) no té zeros en la part dreta (real) del pla, es pot obtenir el
controlador IMC, 𝐶(𝑠) [20].
𝐶(𝑠) = 𝐺−1(𝑠)𝐿(𝑠) (36)
Per tant:
𝐶(𝑠) = (𝑟𝑙 + 𝑙𝑙 𝑠) 1
1 + 𝜏𝑠(37)
A partir de l’estructura clàssica del sistema de control s’obté el controlador, 𝐹(𝑠), [21], [23]:
𝐹(𝑠) =𝐶(𝑠)
1 − 𝐶(𝑠)�̂�(𝑠)(38)
Substituint 𝐶(𝑠) i �̂�(𝑠), s’obté el controlador tipus PI de primer ordre:
𝐹(𝑠) = 𝐺𝑐𝑖𝑞(𝑠) = 𝐺𝑐𝑖𝑑(𝑠) =𝐾𝑝𝑠 + 𝐾𝑖
𝑠(39)
On les constants de control 𝐾𝑝 i 𝐾𝑖 són:
𝐾𝑝 =𝑙𝑙
𝜏(40)
𝐾𝑖 =𝑟𝑙
𝜏(41)
La constant de temps, 𝜏, serà el paràmetre de disseny que permetrà regular el temps de la resposta
del llaç. Aquesta se li pot assignar un valor d’1 𝑚𝑠 (un ordre de magnitud més ràpida que la
freqüència del interruptors IGBT que modulen la senyal alterna de sortida). Cal notar doncs, que
29 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
la velocitat angular d’aquest llaç s’assignarà a un valor uns 15 cops més ràpida que la velocitat
del llaç de tensió.
Figura 22. Modelització del llaç de corrent pel convertidor grid feeding.
30 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
3.3. Convertidor VSC grid forming El convertidor grid forming es pot representar com una font de tensió AC ideal amb una baixa
impedància a la sortida i que permet fixar la tensió i freqüència que tindria la xarxa [20]. Per tant
és un tipus de convertidor que, a diferencia del convertidor VSC grid-feeding, permet que la
microxarxa treballi de manera aïllada sense necessitat màquines rotatòries. La tensió AC
imposada pel grid-forming, serveix com a referència pels altres convertidors grid feeding
connectats. En la seva part DC, els convertidors grid forming estan connectant a una font de tensió
de DC estables com exemple bateries o piles de combustible [20].
3.3.1. Disseny del control
La principal diferencia respecte el convertidor grid-feeding és la incorporació d’un condensador
al filtre d’acoblament de xarxa. Per tant, com que es necessita mantenir una tensió constant als
condensadors (que també serà la tensió de xarxa), el control del convertidor grid-forming ha
d’incorporar un llaç de tensió. Apart, i de la mateixa manera que en el convertidor grid-feeding,
també és necessari el llaç de corrent que ajusta la tensió en la banda AC del convertidor per fer
un seguiment de la referència donada pel llaç de tensió. Els dos llaços estant connectats en
cascada, amb les mateixes dinàmiques que el convertidor grid-feeding: el llaç de tensió és l’extern
amb la dinàmica més lenta i el de corrent és l’intern amb la dinàmica més ràpida.
Les entrades consigna per al control seran l’amplitud de xarxa, 𝑉∗, i la velocitat angular de xarxa,
𝜔∗,de la tensió que el convertidor haurà d’establir. Les variables a mesurar són el corrent sortint
del convertidor, 𝐼𝑔𝑓𝑐𝑎𝑏𝑐, la tensió als condensadors, 𝑉𝑐𝑎𝑏𝑐
, i el corrent entregat a la xarxa, 𝐼𝑚𝑎𝑏𝑐.
Figura 23. Esquema de control general del convertidor VSC grid forming.
Tenint en compte que el control es durà a terme en la referència qd, la component q se li assignarà
l’amplitud de la tensió de la xarxa AC i la component d es farà 0 per tal de simplificar el control:
𝑉𝑐𝑞∗ =
400
√3√2 [𝑉]
𝑉𝑐𝑑∗ = 0 [𝑉]
En la descripció del control dels llaços dels propers apartats, el subíndex ((𝑔𝑓𝑐)) fa referència
als paràmetres del grid forming converter; el subíndex (𝑐) fa referència als valors de
condensador; el subíndex(𝑚) fa referència als valor de la càrrega.
31 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
3.3.1.1. Llaç de tensió
Aquest llaç ve regit pel següent sistema d’equacions:
[𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
] − [𝑖𝑚𝑞
𝑖𝑚𝑑] = [
0 𝜔𝑒𝐶(𝑔𝑓𝑐)
−𝜔𝑒𝐶(𝑔𝑓𝑐) 0] [
𝑣𝑐𝑞
𝑣𝑐𝑑] + [
𝐶(𝑔𝑓𝑐) 0
0 𝐶(𝑔𝑓𝑐)]
𝑑
𝑑𝑡[𝑣𝑐𝑞
𝑣𝑐𝑑] (42)
De manera anàloga al control del convertidor VSC grid feeding s’utilitza el següent sistema per
desacoblar les components 𝑞 i 𝑑 i poder-les controlar de manera independent:
[𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
] = [𝑖̂(𝑔𝑓𝑐)𝑞 + 𝑖𝑚𝑞
+ 𝐶(𝑔𝑓𝑐) 𝜔𝑒 𝑣𝑐𝑑
𝑖(̂𝑔𝑓𝑐)𝑑 + 𝑖𝑚𝑑− 𝐶(𝑔𝑓𝑐) 𝜔𝑒 𝑣𝑐𝑞
] (43)
De manera que el sistema quedarà com:
[𝑖(̂𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(̂𝑔𝑓𝑐)𝑑 ] = [
𝐶(𝑔𝑓𝑐) 0
0 𝐶(𝑔𝑓𝑐)]
𝑑
𝑑𝑡[𝑣𝑐𝑞
𝑣𝑐𝑑] (44)
Aplicant la transformada de Laplace, la funció de transferència de la planta a controlar queda
com:
𝐺𝐸(𝑔𝑓𝑐)𝑞𝑑(𝑠) =
𝑣𝑐𝑞𝑑
𝑖̂(𝑔𝑓𝑐)𝑞𝑑 =
1
𝑠 𝐶(𝑔𝑓𝑐) (45)
Similarment al cas del convertidor VSC grid feeding, la planta està formada per un guany i un
integrador, i per tant el seu control es podria realitzar amb un controlador proporcional. Per
afavorir la qualitat de la resposta, s’implementa un controlador PI per rebutjar les pertorbacions i
eliminar l’error en estat estacionari. Els controladors de la planta queden com:
𝐺𝑐𝐸(𝑔𝑓𝑐)𝑞(𝑠) = 𝐺𝑐𝐸(𝑔𝑓𝑐)𝑑
(𝑠) = 𝐾𝑝𝐸(𝑔𝑓𝑐)+
𝐾𝑖𝐸(𝑔𝑓𝑐)
𝑠(46)
Les constants proporcional i integradora del controlador, 𝐾𝑝𝐸(𝑔𝑓𝑐) i𝐾𝑖𝐸(𝑔𝑓𝑐)
, per tal que tinguin
els mateixos valors que les constants utilitzades en el controlador del convertidor VSC grid
feeding i degut al valor necessari de la capacitat dels condensadors (indicat en apartats posteriors)
per obtenir una estabilització correcta del sistema, aquestes constants s’expressen com:
𝐾𝑝𝐸(𝑔𝑓𝑐)= 2𝐶(𝑔𝑓𝑐)𝜉𝐸(𝑔𝑓𝑐)𝜔𝐸(𝑔𝑓𝑐) (47)
𝐾𝑖𝐸(𝑔𝑓𝑐) = 𝐶(𝑔𝑓𝑐) 𝜔𝐸(𝑔𝑓𝑐)2 (48)
On:
𝐶(𝑔𝑓𝑐): valor del condensador del filtre d’acoblament d’acoblament del grid forming
𝜉𝐸(𝑔𝑓𝑐): factor d'amortiment desitjat del llaç de tensió del grid forming
𝜔𝐸(𝑔𝑓𝑐): velocitat angular del llaç de tensió del grid forming
32 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 24. Modelització del llaç de tensió pel convertidor grid forming
3.3.1.2. Llaç de corrent
El procediment per dissenyar el control del llaç de corrent del grid forming serà el mateix que el
procediment seguit pel llaç de corrent del grid feeding.
Aquest llaç ve regit pel següent sistema d’equacions:
[𝑣𝑙(𝑔𝑓𝑐) 𝑞
𝑣𝑙(𝑔𝑓𝑐) 𝑑
] − [𝑣𝑐𝑞
𝑣𝑐𝑑] = [
𝑟𝑓 −𝑙𝑓𝜔𝑒
−𝑙𝑓𝜔𝑒 𝑟𝑓] [
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
] + [𝑙𝑓 0
0 𝑙𝑓]
𝑑
𝑑𝑡[𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
] (49)
On:
𝑙𝑓: valor de la inductància d’acoblament del convertidor grid-forming
𝑟𝑓: resistència equivalent de la inductància d’acoblament del convertidor grid-forming
Cal desacoblar les components d i q mitjançant:
[𝑣𝑐𝑞
𝑣𝑐𝑑
] = [−𝑣𝑙(𝑔𝑓𝑐)𝑞
+ 𝑣𝑙(𝑔𝑓𝑐)𝑞 − 𝑙𝑙 𝜔𝑒 𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
−�̂�𝑙(𝑔𝑓𝑐)𝑑 + 𝑣𝑙(𝑔𝑓𝑐)𝑑
+ 𝑙𝑙 𝜔𝑒 𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
] (50)
El sistema desacoblat resulta:
[𝑣𝑐𝑞
𝑣𝑐𝑑
] = [𝑟𝑓 0
0 𝑟𝑓] [
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
] + [𝑙𝑓 0
0 𝑙𝑓]
𝑑
𝑑𝑡[𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑞
𝑖(𝑔𝑓𝑐)𝑑
] (51)
A partir del sistema desacoblat i aplicant la tècnica IMC, les constants proporcional i integradora,
𝐾𝑝𝐼(𝑔𝑓𝑐) i 𝐾𝑖𝐼(𝑔𝑓𝑐)
, del controlador del llaç seran:
𝐾𝑝𝐼(𝑔𝑓𝑐)=
𝑙𝑓
𝜏𝐼(𝑔𝑓𝑐)(52)
𝐾𝑖𝐼(𝑔𝑓𝑐) =𝑟𝑓
𝜏𝐼(𝑔𝑓𝑐)(53)
On:
𝜏𝐼(𝑔𝑓𝑐): constant de temps del llaç de corrent del grid forming
33 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
𝑟𝑓: resistència equivalent del filtre d’acoblament del grid forming
𝑙𝑓: inductància del filtre d’acoblament del grid forming
Figura 25. Modelització del llaç de corrent pel convertidor grid forming.
3.3.1.3. Control de droop
En una microxarxa on els convertidors estan separats per llargues distàncies, es requereix d’un
control descentralitzat per tal que no es depengui de les comunicacions d’un control centralitzat
per assegurar l’estabilitat de la xarxa [25], [26] . Aquest control descentralitzat es basa en el
control de droop.
Es tracta d’un nivell de control més elevat que el control dels llaços de tensió i corrent però
inclosos dins de la categoria de control primari. [20]
El control de droop emula el comportament de la característica d’un generador síncron,
convertint-los així en un control adequat pel repartiment de potència (power sharing) entre les
unitats generadores de la microxarxa [25], [27].
A partir de la teoria del flux de potència a través d’una línia elèctrica [26], la potència activa i
reactiva s’expressen com:
𝑃 =𝑈1
2
𝑍cos 𝜃 −
𝑈1𝑈2
𝑍cos(𝜃 + 𝛿) (54)
𝑄 =𝑈1
2
𝑍sin 𝜃 −
𝑈1𝑈2
𝑍sin(𝜃 + 𝛿) (55)
Figura 26. Flux de potència a través d'una línia (esquerra). Diagrama fasorial de tensió (dreta).[26]
34 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
La impedància de la línia elèctrica és 𝑍𝑒𝑗𝜃 = 𝑅 + 𝑗𝑋 . De manera que, assumint que la línia té una
predominança de la component inductiva per sobre de la resistiva (𝑋 >> 𝑅) i si l’angle de
potència, 𝛿, es considera petit (sin 𝛿 es pot aproximar a 𝛿 i cos 𝛿 pot considerar-se igual a 1), les
expressions del flux de potència acabant derivant en:
𝛿 ≅𝑋𝑃
𝑈1𝑈2
(56)
𝑈1 − 𝑈2 ≅𝑋𝑄
𝑈1
(57)
S’observa com l’angle de la potència, 𝛿, depèn de la potència activa i la diferència de tensió, 𝑈1 −
𝑈2, depèn de la potència reactiva. Per tant, amb l’ajust o variació de potència activa i reactiva es
determinarà, respectivament, la freqüència (que controla l’angle de potència) i l’amplitud de la
tensió de la microxarxa [26].
Gràficament, a partir de les característiques de droop, també es pot observar que com aquest
control només disposarà d’un controlador proporcional:
Figura 27. Rectes característiques del control de droop de la freqüència i tensió per a línies amb un comportament
inductiu. [26]
𝑘𝑝: pendent de la recta característica P-f
𝑘𝑞: pendent de la recta característica Q-V
El control de droop clàssic permet determinar la tensió i freqüència de referència, 𝑈∗ i 𝑓∗,
respectivament, a aplicar als controladors de baix nivell (llaç de tensió i llaç de corrent). Es pot
implementar a partir de les següents expressions [24]:
𝑓∗ − 𝑓0 = −𝑘𝑝
𝜏𝑐𝑠 + 1 (𝑃𝑠𝑐
− 𝑃0) (58)
𝑈∗ − 𝑈0 = −𝑘𝑞
𝜏𝑐𝑠 + 1 (𝑄𝑠𝑐
− 𝑄0) (59)
On:
𝑈0, 𝑓0: tensió i freqüència nominal
𝑃0, 𝑄0: potència activa i reactiva quan el convertidor treballa a freqüència i tensió nominal, com
en el cas en que la microxarxa estigués connectada a la xarxa.
𝑃𝑠𝑐, 𝑄𝑠𝑐
: potència activa i reactiva a la sortida del convertidor .
𝜏𝑐: constant de temps de la freqüència de tall del filtre passa-baixos.
35 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Segons la Teoria de Potencia Instantània i considerant que la component 𝑣𝑑 = 0, la potència
activa i reactiva de sortida del convertidor es calcula com:
𝑃𝑠𝑐= 𝑖𝑚𝑞 𝑣𝑐𝑞 (60)
𝑄𝑠𝑐= 𝑖𝑚𝑑 𝑣𝑐𝑞 (61)
Cal notar que el controlador proporcional del control de droop incorpora un filtre passa-baixos
per permetre la separació entre el còmput de potència i els llaços de tensió i corrent, alhora que
també s’assoleix una injecció de potència de major qualitat. [24]
Figura 28. Modelització del control de droop.
Les sortides d’aquest control de droop, és a dir, la velocitat angular de la xarxa elèctrica de
referència, 𝜔∗, i la tensió de xarxa, 𝑉𝑐𝑞∗ , seran les entrades dels llaços de tensió i corrent del
convertidor grid-forming. L’angle de xarxa, θ, s’usarà per les transformacions de referències
utilitzant la transformada de Park.
36 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
4. Generador dièsel El generador dièsel està format principalment per una màquina síncrona, un motor de combustió
interna dièsel i, un sistema d’excitació i un regulador de velocitat que conformen el sistema de
control. En aquests apartat s’ha fet una revisió acurada de la literatura dels diferents elements que
conformen el generador dièsel. En base a aquesta documentació es descriu el funcionament dels
diferents elements i també es fa la selecció dels mètodes de control adequats segons les
característiques de les tipologies de microxarxa sota estudi.
4.1. Màquina síncrona
4.1.1. Sistema constructiu
El sistema constructiu d’una màquina síncrona està compost per dos debanats independents: el
debanat inductor i el debanat induït.
El debanat inductor està ubicat en el rotor i és alimentat per corrent continu, de manera que dona
lloc als pols de la màquina. Pot estar construït en forma d’enrotllament concentrat al voltant dels
pols del rotor, cas en que la màquina rebrà el nom de màquina síncrona de pols llisos o de rotor
cilíndric, o distribuït en ranures, cas en que s’anomena màquina síncrona de pols sortints. [28]
El debanat d’induït, amb el mateix nombre de pols que el debanat inductor, està ubicat a l’estator
i es disposa de manera que forma un enrotllament trifàsic i recorregut per corrent alterna. [28]
No obstant, per a màquines síncrones petites (per potències que superen els 10 kVA), el debanat
d’inductor es col·loca a l’estator mentre que el debanat induït es situa al rotor. [28]
Figura 29. Tipus constructius de les màquines síncrones de potència elevada (superior als 10 kVA). Esquerra:
màquina síncrona de pols sortints. Dreta: màquina síncrona de pols llisos. [28]
1.1.2. Principi de funcionament
A partir d’un sistema d’excitació es genera el corrent continu que circula a través del debanat
inductor. Aquest corrent s’injecta mitjançat uns contactes lliscants (dos anells sobre els que hi
freguen unes escombretes). En alguns casos, en comptes del debanat inductor s’utilitza imants
permanents per generar el flux d’inductor [29]. El corrent continu del debanat d’inductor produeix
un camp magnètic que gira amb el rotor. [30]
Al tenir un sistema trifàsic de corrents simètric i equilibrat que circula pel debanat d’induït amb
un desfasament de 120 ° elèctrics en l’espai, l’induït crearà un camp magnètic en l'entreferro
(espai, omplert per aire entre el rotor i l’estator) que girarà a la velocitat constant de sincronisme
[29]. Aquesta velocitat de sincronisme, 𝑁𝑠 [𝑟𝑝𝑚], del camp magnètic en l’entreferro ve
determinada pel nombre de parell de pols, 𝑝, i la freqüència d’alimentació, 𝑓 [𝐻𝑧]:
𝑁𝑠 =60 𝑓
𝑝(62)
37 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Per tal de produir un parell constant, les velocitat de gir dels camps generats a l’estator i al rotor
han de girar a la mateixa velocitat de manera que es requereix al rotor que giri a la velocitat de
sincronisme. [30]
1.1.3. Model màquina síncrona
Per la modelització de la màquina síncrona, s’ha utilitzat el bloc de Simulink de la màquina
síncrona estàndard en p.u..
A nivell mecànic, l’equació rotacional de la inèrcia de la màquina síncrona descriu l’efecte del
desequilibri entre el parell electromagnètic intern i el parell mecànic resultant de l’aplicació de la
potència mecànica. L’equació rotacional de la inèrcia indica que, en cas de desequilibri, el rotor
accelerarà o desaccelerà, mentre que per una velocitat de gir constant, s’assegura que el parell
electromagnètic i el parell mecànic siguin iguals [12].
𝐽𝑑𝜔𝑚
𝑑𝑡= 𝑇𝑚 − 𝑇𝑒 (63)
On:
𝐽: moment d’inèrcia [𝑘𝑔 𝑚2]
𝑇𝑚: parell mecànic [𝑁 𝑚]
𝑇𝑒: parell electromagnètic [𝑁 𝑚]
L’equació rotacional de la inèrcia es pot normalitzar amb la constant d’inèrcia de la màquina
síncrona (expressada en segons), 𝐻 [𝑠], que es defineix com l’energia cinètica emmagatzemada
entre la seva potència nominal [12].
𝐻 =1
2
𝐽𝜔0𝑚2
𝑆𝐵
(64)
On:
𝜔0𝑚: velocitat nominal [𝑟𝑎𝑑/𝑠]
𝑆𝐵: potència nominal [VA]
38 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
4.2. Control del generador dièsel Per tal d’operar un generador dièsel en una xarxa aïllada és necessari disposar de dos controls:
un control de tensió, que estarà format per un sistema d’excitació, i un control de velocitat.
4.2.1. Sistema d’excitació
Tal i com s’ha comentat anteriorment, els debanats que formen els pols de la màquina síncrona
(normalment situats al rotor) s’han d’alimentar amb corrent continu, 𝐼𝑓𝑑. El control d’aquest
corrent el duu a terme el sistema d’excitació. De manera que, controlant el corrent es pot fer el
control de la tensió d’excitació del debanat inductor, 𝐸𝑓𝑑, que repercuteix en el voltatge de sortida
de la màquina [31]. Alhora, el sistema d’excitació també realitza funcions protecció per assegurar
que no es superen els límits de funcionament de la màquina síncrona ni del propi sistema
d’excitació [30].
Els principals components dels sistema són el regulador (o AVR, de l’anglès voltatge source
regulator), l’excitador, el sistema d’estabilització de potència (PSS), el transductor i compensador
de càrrega, el sistema d’estabilització de l’excitador (ESS) i un conjunt de limitadors i sistemes
de protecció.
Figura 30. Diagrama de blocs del control del sistema d'excitació. Font [32]
Els camps dels sistemes d’excitació generalment provenen d’un excitador extern, anomenat
sistema d’excitació pilots. Típicament, s’utilitzen sistemes d’excitació pilot que generen en AC
(mitjançant, per exemple, imants permanents) i on la sortida es rectifica per alimentar el sistema
d’excitació principal. [28]
En màquines síncrones modernes utilitzades en generadors dièsel destinats a instal·lacions
aïllades, es recorre a l’autoexcitació de l’alternador, que tracta d’obtenir l’alimentació de DC del
debanat inductor mitjançant la pròpia sortida del generador després de rectificar-la. [28]
4.2.1.1. Tipus de sistemes excitadors
Tal i com s’ha introduït anteriorment, els sistemes d’excitació principals han d’alimentar-se per
poder generar el DC a través d’uns excitadors pilot. Segons el tipus d’alimentació que reben
d’aquests excitadors pilot, sorgeixen tres tipus de sistemes d’excitació principals.
Sistema d’excitació de DC
Són sistemes que utilitzen generadors de DC com a font d’excitació junt amb commutadors, i que
alimenten el debanat inductor mitjançant amb anells lliscants. Aquest sistema pot estar governat
per un motor o el propi eix de la màquina síncrona [30]. Representen els primers sistemes que es
van implementar, continguts entre els anys 1920 i 1960 [33],[34].
39 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Sistemes d’excitació estàtics
Tots els components d’aquests sistemes són estàtics. Els rectificadors estàtics, subministren el
corrent directament al debanat inductor del generador síncron mitjançant contactes lliscants.
Alhora, aquests rectificadors estan alimentats directament del generador síncron (o dels seus
debanats auxiliars) a través d’un transformador que adequa el voltatge [30]. Aquests sistemes
d’excitació són àmpliament utilitzats en generadors síncrons de gran potència de l’ordre de varis
MVAs per tal de satisfer els requeriments tècnics de les respostes dinàmiques [34].
Sistemes d’excitació de AC
Aquests sistemes utilitzen alternadors per tal d’alimentar el debanat inductor i normalment es
situen sobre del mateix eix del generador síncron. La tensió AC que generen es tractada per
rectificadors controlats o no controlats. Alhora els rectificadors poden ser estacionaris, en cas que
el debanat inductor s’alimenti a través de contactes lliscants, o rotatoris, si es prescindeix tant dels
anells com de les escombretes (brushless), i per tant, realitzant una alimentació directa del rotor
[30].
4.2.1.2. Modelització del sistema d’excitació
Les guies estandarditzades per a la modelització dels sistemes d’excitació queden recollides a les
Recomanacions Pràctiques de l’IEEE. Actualment els sistemes d’excitació estàtics i de AC són
els sistemes implementats majoritàriament en les noves màquines síncrones, en detriment dels
sistemes d’excitació de DC [35].
El generador síncron d’aquest estudi és de l’ordre de pocs KVAs i alimenta càrregues passives
òhmiques, de manera que no es requereix d’una resposta ràpida de l’AVR [34]. Per tant, s’opta
per un sistema d’excitació de AC del tipus rotatori (o brushless) i amb una esquema tipus shunt.
Aquesta tipologia empra l’autoexcitació a partir de la tensió terminal de sortida del generador.
També és adequat pel seu baix manteniment i baixos costos d’operació i representa la
configuració més utilitzada per la indústria en generadors de baixa i mitjana potència [34]. D’entre
tots els sistemes d’excitació de AC estandarditzats per l’IEEE s’ha escollit el sistema AC1A.
Els diagrames interns de control són els següents:
Figura 31. Excitador AC rotacional amb un rectificador no controlat. [35]
40 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 32. Sistema d'excitació tipus AC1C. [35]
Les entrades del bloc implementat del sistema d’excitació són la tensió terminal de l’estator
mesurada de la màquina síncrona, 𝑉𝑡, el corrent del debanat inductor, 𝐼𝑓𝑑, i la tensió de referència,
𝑉𝑟𝑒𝑓. La sortida del bloc és la tensió d’excitació del debanat inductor, 𝐸𝑓𝑑, que entrarà al bloc de
la màquina síncrona. 𝐾𝐴 i 𝑇𝐴 són el guany i la constant de temps del regulador de tensió (o unitat
d’amplificació), respectivament. 𝐾𝐹 i 𝑇𝐹 són el guany i la constant de temps del filtre
d’amortiment, respectivament.
4.2.1.3. Paràmetres del sistema d’excitació
L’estandardització per part de l’IEEE assigna uns valors predeterminats del sistema AC1A [35].
Controlador
Tr [s] 0,02
Ka 400
Ta [s] 0,02
VAmin [pu] -14,5
VAmax [pu] 14,5
VRmin [pu] -5,43
VRmax [pu] 6,03
Kf 0,03
Tf [s] 1
Tb [s] 0
Tc [s] 0
Excitador i
rectificador
Ke 1
Te [s] 0,8
Ve1[pu] 4,18
Ve2[pu] 3,14
Kd 0,38
Kc 0,2 Figura 33. Paràmetres del sistema d'excitació AC1A del IEEE.
No obstant, a l’hora de realitzar les simulacions del sistema, alguns d’aquests paràmetres,
(concretament 𝐾𝑎, 𝑇𝑎, 𝐾𝑓, 𝑇𝑓, 𝐾𝑒, 𝑇𝑒, 𝐾𝑑, 𝐾𝑐), han sigut modificats mitjançant la realització d’uns
escombrat de paràmetres, amb la finalitat d’aconseguir respostes més estables que les obtingudes
amb els valors predeterminats. Aquest procediment s’explica en l’apartat 5.1.1..
El detall dels escombrats es pot consultar a l’Annex.
41 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
4.2.2. Regulador de velocitat
El motor dièsel està compost pel motor de combustió interna i pel regulador de velocitat o
freqüència (anomenat també governor, en anglès).
A partir de l’equació de l’equació rotacional de la inèrcia (equació 64) es pot deduir que quan el
generador del sistema de potencia es sotmeti a una pertorbació externa, la potència elèctrica del
generador canviarà. Aquest canvi desestabilitza l’equilibri entre la potència elèctrica generada i
la potència mecànica que rep el generador fet que variarà la velocitat de gir del seu rotor [32]. La
variació de velocitat implicarà desviacions en la freqüència del sistema. Per evitar la
desestabilització a causa d’aquestes desviacions es necessari l’ús del regulador de velocitat o
freqüència.
4.2.2.1. Tipus de reguladors
Segons el punt de vista de l’estratègia de control, els reguladors de velocitat es poden classificar
en dos tipus diferents depenent del mode de funcionament: en mode droop o en mode isòcron
[37].
Regulador amb control de droop
Aquest tipus de regulador té un funcionament simple, en que la relació entre l’increment de
càrrega i la disminució de la velocitat o freqüència és una proporció lineal anomenada droop.
Concretament, s’expressa com el percentatge de reducció de velocitat quan el generador treballa
en buit enfront de quan treballa a plena càrrega [38].
S’utilitza principalment en l’operació en paral·lel amb la xarxa o en l’operació de diversos
generadors en paral·lel en una xarxa aïllada per tal d’assegurar un correcte repartiment de càrrega
[38].
Regulador isòcron
En aquest mode de funcionament, tal i com el seu nom indica, el regulador pot fer treballar el
generador a velocitat constant. De manera que, quan es produeix un canvi en la càrrega, es pot fer
retornar la freqüència al valor de referència mitjançant correccions immediates d’un actuador que
governa la vàlvula de combustible [37].
Típicament, aquest mode de control és utilitzat quan només hi ha un únic generador operant en
una xarxa aïllada [37].
4.2.2.2. Modelització del regulador de velocitat
En base als tipus de reguladors presentats, es selecciona el regulador isòcron al tenir com a
objectiu l’operació de la microxarxa aïllada amb un únic generador.
El model d’aquest tipus de regulador queda documentat en la literatura com [31] i [4], i
implementa dues funcions de transferència de segon i tercer ordre per tal de representar el control
i l’actuador, respectivament, del regulador.
Figura 34. Modelització del regulador de velocitat isòcron i del motor dièsel.
42 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
L’entrada és la velocitat mecànica, mesurada a partir de transductors de velocitat electrònics [37].
Aquesta és comparada amb la velocitat isòcrona de referència per tal de proporcionar una senyal
al bloc de control.
L’actuador ajusta la injecció de combustible per mantenir la velocitat a un valor constant. Per tant,
la sortida del regulador de velocitat (sortida actuador) es representa com la posició de la vàlvula
d’obturació que controla la relació aire/combustible que s’injecta al motor de combustió interna
[31]. Cal notar, doncs, que el motor de combustió interna queda implementat pel bloc de delay
per tal de representar el temps necessari de la combustió del dièsel i que es tradueixi en una
aplicació del parell mecànic en l’eix del generador.
4.2.2.3. Paràmetres del regulador
Referent al temps de delay, tot i que aquest depèn de la velocitat de rotació de l’eix i del nombre
de cilindres actius del motor [36], s’ha assignat directament un valor de 0,024 s d’acord amb [4]
Referent als paràmetres de les funcions de transferència del control i l’actuador s’han mantingut
d’acord amb els valors predeterminats en [31].
Control
Tr1 [s] 0,01
Tr2 [s] 0,02
Tr3 [s] 0,2
Actuador
Ta4 [s] 0,25
Ta5 [s] 0,009
Ta6 [s] 0,0384 Taula 6. Paràmetres de les funcions de transferència del control i l’actuador del regulador de velocitat.
Pel paràmetre restant, el guany 𝐾𝑟 del control s’ha determinat en base a la realització d’uns
escombrats de valors i observant quines són les respostes més estables. El detall del procediment
dels escombrats s’explica a l’apartat 5.1.1. Les simulacions de tots els escombrats es poden
consultar a l’Annex.
43 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5. Operació i resultats En aquest apartat es presentaran un seguit de simulacions amb un generador dièsel connectat a
càrrega i també diferents esquemes de la microxarxa aïllada. Primer es tractarà únicament el
generador dièsel connectat a una càrrega. A continuació, s’hi afegirà el sistema fotovoltaic amb
el seu respectiu convertidor VSC grid feeding. Finalment es plantejarà un esquema de microxarxa
aïllada on les funcions del generador dièsel quedaran cobertes per un sistema d’emmagatzematge
distribuït amb un convertidor VSC grid forming
5.1. Generador dièsel connectat a càrrega Aquesta simulació tracta de comprovar el funcionament del generador dièsel connectat a una
càrrega de valor variable.
5.1.1. Paràmetres de la simulació
A continuació es descriuen els paràmetres dels elements del sistema.
Es considerarà que el temps de simulació establert de 10 s equival a 10 h d’operació diària.
Paràmetres de la càrrega
La potència de la càrrega respon a una càrrega resistiva pura i per tant amb un factor de potència
igual a 1. El valor de la potència és 40 kW degut a que es desitja que el valor de la resistència de
la càrrega sigui enter; en aquest cas 𝑅𝐶 = 4 𝛺. La transformada de Park fa que la component d de
la tensió de la càrrega, 𝑉𝑑 𝐶 sigui 0, mentre que l’amplitud de la tensió fase-neutre que imposarà
el generador (actuant com a xarxa) és la mateixa que l’amplitud de la tensió de la càrrega i per
tant 𝑉𝑞 𝐶=
400
√3√2. De la teoria de potencia instantània, la potència sol·licitada per la càrrega
queda com:
𝑃𝐶 =3
2(𝑉𝑞 𝐶
𝐼𝑞 𝐶 )
Aplicant la llei d’Ohm es pot obtenir l’expressió de la potència sol·licitada en funció de la
resistència de càrrega:
𝑃𝐶 =3
2
𝑉𝑞 𝐶2
𝑅𝐶
𝑃𝐶 =3
2
(400
√3√2)
2
4= 40000 [𝑊]
En 𝑡 = 5 𝑠, s’hi afegirà una càrrega resistiva pura de 16 𝛺, que suposa una increment de potència
de 10 𝑘𝑊.
El perfil de la càrrega variable és el següent:
Interval de temps [s] Càrrega [kW]
[0, 5] 40
[5, 8] 50
[8, 10] 40 Taula 7. Perfil de la càrrega variable.
Aquest perfil de càrrega pot respondre al d’un petit centre de producció o d’un conjunt
d’instal·lacions comercials o d’ús terciari d’una zona rural, que mantinguin una demanda constant
amb un petit increment puntual durant unes hores.
44 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Escombrats de paràmetres
La resposta del generador dièsel està afectada per paràmetres interns i paràmetres del seu control.
Els paràmetres que més afecten la resposta del generador dièsel són la constant d’inèrcia del
generador, 𝐻 [𝑠], la constant del regulador de velocitat, 𝐾𝑟, i diferents paràmetres del control de
tensió (sistema d’excitació), com la constant de temps i el guany del regulador de tensió, 𝑇𝑎 i 𝐾𝑎,
respectivament.
Per aconseguir una resposta el més estable i robusta possible del generador dièsel respecte la seva
resposta inicial, s’han realitzat múltiples escombrats de valors.
Primerament, s’ha detectat com la constant de temps del regulador de tensió, 𝑇𝑎, suposa un
paràmetre crític pel que fa a l’estabilitat de la resposta de la simulació. Es per això que ha sigut el
primer paràmetre escombrat per tal d’ajustar el seu valor respecte el valor predeterminat de 𝑇𝑎
que el sistema d’excitació AC1A (determinat per la IEEE).
Seguidament, s’han realitzat escombrats de la constant d’inèrcia de la màquina síncrona, 𝐻 [𝑠], i
del guany del regulador de velocitat, 𝐾𝑟, ja que s’ha comprovat que són els paràmetres que tenen
més afectació en la resposta. Per últim, també s’han realitzat escombrats dels paràmetres del
regulador de tensió (tant del controlador, com de l’excitador i rectificador) per tal d’intentar
millorar la resposta del generador dièsel.
En cada escombrat l’elecció dels paràmetres ha sigut per criteris qualitatius. S’han avaluat les
respostes de la potència entregada pel generador i la freqüència de la tensió generada. Els primers
dos escombrats es mostren a continuació:
Escombrat 1 Constant de temps regulador de tensió, 𝑇𝑎.
S’observa com la variació de la constant de temps 𝑇𝑎, pràcticament no modifica la resposta pel
rang de valors simulats, excepte pel valor predeterminat de l’excitador AC1A, 𝑇𝑎 = 0,02 [𝑠]. Per
tant s’escull el valor immediat al predeterminat del AC1A, 𝑇𝑎 = 0,002 [𝑠].
Figura 35. Resultat de l'escombrat de la constant, Ta.
45 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Escombrat 2 Guany del regulador de velocitat, 𝐾𝑟 (1)
A partir de les respostes obtingudes de l’escombrat, i per criteris qualitatius, es fa una primera
selecció del paràmetre 𝐾𝑟. Tenint en compte l’estabilitat i rapidesa del transitori per assolir el
valor consigna, tant per la potència del generador dièsel com per la freqüència, es selecciona 𝐾𝑟 =
4.
Figura 36. Resultats del primer escombrat la constant Kr.
El detall de tots els escombrats es poden veure a l’Annex.
Paràmetres de la màquina síncrona
S’han deixat fixats els valors predeterminats de la màquina síncrona model per a 85 kVA. La
inèrcia, en base als escombrats de valors s’ha modificada a 𝐻 = 4 𝑠.
Potència nominal, Pn [kVA] 85
Tensió nominal de línia, Vn [V] 400
Freqüència, f [Hz] 50
Constant d'inèrcia, H [s] 0,4
Factor de fricció, F [pu] 0
Parell de pols, p [-] 2 Taula 8. Paràmetres generals de la màquina síncrona.
Reactàncies [pu]
síncrona, Xd 2,2
transitòria, Xd' 0,17
sub-transitòria, Xd'' 0,12
síncrona, Xq 1,01
transitòria, Xq' 0,15
sub-transitòria, Xq'' 0,06
Constants de temps [s]
de curtcircuit transitòria, Td' 0,03
de curtcircuit sub-transitòria, Td'' 0,008
de curtcircuit sub-transitòria, Tq'' 0,008
46 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Resistència estator [pu]
Rs 0,0292 Taula 9. Paràmetres del model elèctric del generador síncron.
Paràmetres del sistema d’excitació
En base als escombrats realitzats, alguns dels valors inicials s’han modificat per tal d’obtenir
respostes més estables.
Valors inicials Valors finals
Controlador
Tr [s] 0,02 0,02
Ka 400 800
Ta [s] 0,02 0,002
VAmin [pu] -14,5 -14,5
VAmax [pu] 14,5 14,5
VRmin [pu] -5,43 -5,43
VRmax [pu] 6,03 6,03
Kf 0,03 0,03
Tf [s] 1 1
Tb [s] 0 0
Tc [s] 0 0
Excitador i
rectificador
Ke 1 1,2
Te [s] 0,8 1
Ve1[pu] 4,18 4,18
Ve2[pu] 3,14 3,14
Kd 0,38 0,38
Kc 0,2 0,2 Taula 10. Paràmetres del sistema d'excitació (en verd els valors modificats resultants dels escombrats).
Paràmetres del regulador de tensió
El valor del guany del regulador de tensió Kr resultant dels escombrats és 𝐾𝑟 = 15.
47 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.1.2. Esquema del model
Figura 37. Esquema del model format pel generador dièsel i una càrrega variable.
Figura 38. Modelització del generador dièsel.
48 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.1.3. Resultats
5.1.3.1. Operació normal
En l’operació normal el generador ha d’imposar la seva tensió nominal per tal d’alimentar la
càrrega correctament. L’evolució de la tensió del sistema, emprant el sistema d’excitació AC1A,
s’estabilitza a la referència de l’amplitud de la tensió fase-neutre, 𝑉𝑞 =400
√3√2 ≃ 326,6 𝑉, en
aproximadament, l’interval 𝑡 = [3, 4] 𝑠. Per tant la potència entregada pel generador, també
s’estabilitza en el mateix interval de temps. El canvi de càrrega en 𝑡 = 5 𝑠 fa que el generador
dièsel respongui amb un petit sot de tensió, fet que pot repercutir en la qualitat de la potència
subministrada als usuaris.
Figura 39. Potència i tensió del generador en l’operació normal.
El canvi instantani del parell electromagnètic (o potència elèctrica) de la màquina síncrona,
provoca un desajust amb el parell mecànic (o potència mecànica) desenvolupat, fet que produeix
una desviació en la velocitat del rotor (degut a l’acceleració o desacceleració d’aquest d’acord
amb l’equació rotacional de la inèrcia) i per tant en la freqüència del sistema. A la Figura 40 es
comprova que el regulador de velocitat isòcron manté la freqüència als 50 𝐻𝑧 de consigna del
generador, amb desviacions d’aproximadament 0,5 𝐻𝑧 en els instants en que varia la càrrega i per
tant dins dels límits ± 0,75 𝐻𝑧 estipulats per l’ISO 8528-5:2005. No obstant, existeix un sot de
freqüència en l’arrencada de la simulació, i per tant, si es considera un generador dièsel amb les
exigències dels tipus G2 segons ISO 8528-5:2005, existirà una baixa qualitat de l’energia
entregada a les càrregues durant la primera hora d’operació (Figura 40), ja que s’estarà dins del
període transitori de ± 6 𝐻𝑧 considerat per la normativa. Un inici d’operació amb un càrrega
menys exigent o amb un conjunt de càrregues elèctriques simples com l’enllumenat, pot ajudar a
una millor estabilitat de la freqüència del sistema i subministrament de potència.
49 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 40. Freqüència del generador per una operació normal.
50 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.1.3.2. Operació amb grans canvis de càrrega
Per veure com evoluciona la resposta del generador sota condicions exigents es planteja un cas
en que s’afegeix una connexió i desconnexió de càrrega resistiva molt gran. Tenint en compte que
el generador té una capacitat de 85 𝑘𝑉𝐴, la simulació partirà d’una càrrega de 10 𝑘𝑊 i se
n’afegirà una de 80 𝑘𝑊.
Per poder observar bé el comportament del generador, el temps de simulació serà de 20 𝑠.
Figura 41. Potència i tensió del generador sota condicions exigents
Un increment gran de càrrega produeix un sot en la tensió en borns del generador previ al transitori
d’entre 2 i 3 segons necessari per arribar al valor d’amplitud nominal de la tensió de xarxa. La
desconnexió de la càrrega provoca una oscil·lació que també triga al voltant dels 3 segons en
estabilitzar-se. L’afectació en la qualitat de la tensió subministrada repercuteix de la mateixa
manera en la potència sortint del generador.
En la Figura 41 s’observa que, en l’estat estacionari, el generador dièsel no pot entregar la potència
total demandada per la càrrega. No obstant, es comprova que el generador pot arribar a
subministrar una potència superior a la nominal. Concretament, s’observa que el generador pot
arribar a generar, aproximadament, un 105 % de la capacitat nominal de la màquina síncrona tal
i com mostra la potencia en p.u. de la Figura 41. Una operació per sobre dels valors nominals
51 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
comporta danys per efectes tèrmics degut a l’escalfament dels debanats del generador síncron
resultant en un escurçament de la seva vida útil. Típicament, als estàndards de normatives
d’alternadors, concretament a la normativa BS 5000pt3, s’especificava que els generadors
síncrons havien de ser capaços de treballar un 10 % per sobre de la seva potencia nominal, és a
dir de manera sobrecarregada, durant 1 hora cada 12 hores [39]. Aquestes especificitats han estat
substituïdes pel conjunt de normes ISO 8528, que fan referència a la capacitat dels grups
alternadors de poder subministrar càrregues superiors als seus valors nominals sempre que puguin
arribar a un equilibri tèrmic [39].
Naturalment, un canvi gran en la càrrega també produeix un efecte en la velocitat de gir del rotor
i per tant en la freqüència del sistema. Les desviacions de freqüència són grans i triguen més en
estabilitzar-se, tot i així en cap moment es superen els límits de ± 0,75 𝐻𝑧 per l’operació en estat
estacionari, ni de ± 6 𝐻𝑧 pels transitoris.
Figura 42. Freqüència del generador per una operació sota condicions exigents.
5.1.3.3. Operació amb sobrecàrrega
Els augments de càrrega molt grans poden derivar en sobrecàrregues de la màquina síncrona si la
potència demandada supera en escreix la potència nominal de la màquina. Es planteja un cas en
que s’afegeix una càrrega resistiva de 81 𝑘𝑊 a la càrrega de 10 𝑘𝑊 inicial.
En aquest cas el temps de simulació també és de 20 𝑠.
Tal i com es mostra a la Figura 43, com que el generador no pot subministrar la potència elèctrica
demandada, aquest es desvia de la seva condició de sincronisme desaccelerant el rotor i produint
una caiguda de la freqüència del sistema. A diferència d’altres pertorbacions que es poden produir
en un sistema elèctric, com és el cas dels curtcircuits, la tensió no es fa zero.
52 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 43. Tensió de xarxa i freqüència del generador sobrecarregat
Afegint una aportació de potencia per part d’un inversor fotovoltaic, la càrrega total que pot
suportar el sistema augmenta, evitant així la caiguda de velocitat del rotor.
5.2. Generador dièsel amb sistema fotovoltaic L’objectiu d’aquesta simulació és operar la microxarxa aïllada formada pel generador dièsel, un
sistema fotovoltaic i una càrrega.
5.2.1. Paràmetres de la simulació
A continuació es descriuen els paràmetres dels elements del sistema.
Es considerarà que el temps de simulació establert de 10 segons equival a 10 hores d’operació
diària.
Paràmetres de càrrega i del generador dièsel
Per la càrrega és manté el mateix perfil que en les simulacions anteriors (apartat 5.1.1).
Pel generador dièsel (màquina síncrona, sistema d’excitació i regulador de velocitat) es mantenen
els mateixos valors dels paràmetres que a la simulació anterior (apartat 5.1.1).
Referent al generador dièsel, al ser un font de generació inercial, quan es connecta al mateix bus
que una font de generació no inercial (com és el sistema fotovoltaic amb el convertidor VSC) la
màquina síncrona pateix pics de corrent provinents del convertidor que ha de compensar. Això
provoca un transitori un transitori d’arrencada en la màquina síncrona (Figura 44). Per tal d’evitar-
ho, al bloc de la màquina síncrona del Simulink, s’han inicialitzat els paràmetre de corrents de
línia 𝑖𝑎 , 𝑖𝑏 , 𝑖𝑐, posant-los a valor 1 p.u. (per defecte estan a 0). Aquesta inicialització, també
permetrà augmentar la dimensió del sistema fotovoltaic.
53 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 44. Resposta del generador dièsel sense la inicialització de corrents de línia.
Paràmetres del sistema fotovoltaic
Paràmetres generals
S’estableix un perfil d’irradiància i temperatura arbitraris però amb una evolució aproximada a
les dels perfils reals. Tenint en compte que 1 segon de simulació equival a 1 hora, els perfils es
poden traslladar a una franja horària diürna de 8 del matí a 6 del vespre.
Figura 45. Perfil d’irradiància i temperatura pel període de les 9 h a les 19 h.
La configuració de l’associació de panells fotovoltaics ha vingut limitada pel fet d’operar el
sistema fotovoltaic junt amb generador dièsel. El motiu és el mateix pel que s’ha hagut
d’inicialitzar el valors de línia del generador dièsel 𝑖𝑎 , 𝑖𝑏 , 𝑖𝑐, a valor 1 p.u.. La ràpida resposta del
convertidor VSC en comparació amb la inèrcia d’arrancada que caracteritza el generador dièsel,
fa que el generador hagi de suportar tensions i corrents molt elevats, injectats per part del
convertidor VSC.
54 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
El paràmetre limitador per tal de dimensionar lliurement el sistema fotovoltaic són el nombre de
panells en sèrie, 𝑀𝑠. Amb un estudi en règim permanent del sistema es pot dimensionar el sistema
per tal de que circulin els corrents desitjats en un punt d’operació concret; no obstant aquest estudi
queda fora de l’abast del projecte. Així doncs, en base a diverses simulacions prèvies, s’ha
determinat el nombre màxim de panells en sèrie. Per altra banda, tot i que el nombre de strings
en paral·lel, Mp, no suposa una limitació en el dimensionat del sistema, aquest s’ha seleccionat
inferior al nombre de panells en sèrie, atenen una configuració típica d’un sistema fotovoltaic en
que Mp<Ms. La configuració final queda com:
Panells en sèrie, Ms: 9 panells
Strings de panells en paral·lels, Mp: 5 strings.
Tenint en compte les característiques nominals del panell seleccionat, en que la tensió del punt de
màxima potència és 40,2 𝑉, la tensió del bus de contínua, 𝐸𝐷𝐶, serà de 362 V. Segons l’expressió,
𝐸𝐷𝐶 =2√2 𝑉𝑙í𝑛𝑖𝑎
√3 𝑚, on 𝑚 és el l’índex de modulació del convertidor, per un valor de tensió de línia
de 𝑉𝑙í𝑛𝑖𝑎 = 400 𝑉 en la banda AC, el valor és obtingut és inferior al desitjat que normalment és
𝐸𝐷𝐶 ≈ 800 𝑉 [40].
Els paràmetres dels elements del convertidor VSC grid feeding són:
Capacitat de condensador de bus DC: 𝐶 = 1020 [μF]
Resistència equivalent del filtre d’acoblament: 𝑟𝑙 = 0,5 [𝛺]
Inductància del filtre d’acoblament: 𝑙𝑙 = 5,4 [𝑚𝐻]
Paràmetres de control (VSC grid feeding)
Llaç de tensió del VSC grid feeding:
La velocitat angular desitjada del llaç de tensió és 𝜔𝐸 = 418,88 [𝑟𝑎𝑑
𝑠]. És una velocitat 15 vegades
més lenta que l’assignada al llaç de corrent.
El factor d’amortiment del llaç de tensió és 𝜉𝐸 = 0,707
Llaç de corrent del VSC grid feeding:
La constant de temps del controlador del llaç de corrent és 𝜏 = 1 𝑚𝑠. Aquesta velocitat suposa
que velocitat angular del llaç sigui de 2𝜋 (1
0,001) [
𝑟𝑎𝑑
𝑠], i per tant 15 cops més ràpida que la
velocitat del llaç de tensió.
L’inversor fotovoltaic té un control de potència activa i potència reactiva. La consigna de potència
reactiva que ha d’injectar el convertidor VSC és la següent:
Interval de temps
[s] Referència de potència reactiva [kVAr]
[0, 5] 0
[5, 9] -6
[9, 10] 0 Taula 11. Referència d potència reactiva pel convertidor grid feeding
55 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.2.2. Esquema del model
Figura 46. Esquema de la microxarxa operada amb generador dièsel i sistema fotovoltaic.
56 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.2.3. Resultats
5.2.3.1. Operació normal
Comportament convertidor grid-feeding
Per poder observar de manera més clara el comportament del convertidor VSC grid-feeding se
n’estudiarà el comportament considerant que la càrrega del sistema es constant.
Primerament es verifica que la tensió de referència del bus DC, 𝐸𝐷𝐶∗ , que oscil·la al voltant dels
360 𝑉 (Figura 48), ve efectivament imposada per la tensió del punt de màxima potència obtinguda
en l’MPPT (basat en el mètode de la tensió de circuit obert) i per tant variant amb el perfil horari
de temperatures de la simulació (Figura 45). També és verifica que el corrent DC generat pels
mòduls varia en funció de la irradiància i també mínimament amb la temperatura.
Figura 47. Variació del corrent DC en funció de la irradiància i de la temperatura (mínimament).
Es comprova que la tensió del bus DC, 𝐸𝐷𝐶, ve regulada pel control del llaç de tensió DC. Cada
cop que hi ha un canvi en la irradiància (i per tant en el corrent DC generat pels panells
fotovoltaics), es produeix un gran pic de tensió (es suma al petit pic de tensió provocat pel canvi
de temperatura). El pic de tensió DC a controlar és més gran com major sigui el canvi en la
irradiància. Així doncs, aquesta regulació es pot veure en el detall de la dinàmica del llaç de tensió
DC (Figura 48), ja que es veu com respon a una velocitat angular del llaç de tensió de 𝜔𝑒 =
418,88 [𝑟𝑎𝑑
𝑠]. És a dir, el senyal de tensió 𝐸𝐷𝐶 s’estabilitza al cap d’aproximadament 𝑡 =
2𝜋
418,88≈
0,015 [𝑠].
57 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 48. Efecte del control del llaç de tensió al bus de tensió DC.
També s’observa com el convertidor pot controlar els corrents 𝑖𝑞 i 𝑖𝑑 de manera independent
(Figura 49). Per una banda, el corrent injectat a xarxa 𝑖𝑞 𝐹𝑉 varia en funció dels canvis
d’irradiància (canvi de corrent DC generat pels panells), tot produint un augment de la potencia
activa transferida quan la irradiància augmenta i viceversa. Per altra banda també es verifica que
el corrent 𝑖𝑑 𝐹𝑉 varia en funció de la consigna de potencia reactiva.
D’acord amb el sentit escollit de la mesura de corrent, el valor negatiu dels corrents indiquen una
injecció de corrent a la xarxa.
58 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 49. Corrents de referència i corrents mesurats del VSC amb el sistema fotovoltaic en la referència qd.
En la referència abc, el corrent trifàsic injectat pel convertidor VSC (controlat pel llaç de corrent),
augmenten o disminueixen permetent la major o menor transferència de potencia. També cal notar
com la injecció de corrent reactiu 𝑖𝑑 𝐹𝑉 en 𝑡 = 0,5 [𝑠] provoca una lleugera distorsió en la forma
d’ona del corrents abc.
Figura 50. Intensitats de línia trifàsiques del convertidor VSC.
59 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
En la Figura 51, es pot observar com les tensions, en la referència qd, que el convertidor ha
d’aplicar en la seva part AC, 𝑉𝑙𝑞 i 𝑉𝑙𝑑, varien en funció de la irradiància i de la potencia reactiva.
Per tant, d’acord amb el control del llaç de corrent (veure Figura 22), la tensió 𝑉𝑙𝑑 varia en funció
de la irradiància (degut a la variació del corrent 𝐼𝑞 que segueix la referència 𝐼𝑞∗) mentre que la
tensió 𝑉𝑙𝑞 varia, principalment, en funció de la potencia reactiva (degut a la variació del corrent
𝐼𝑑 que segueix la referència 𝐼𝑑∗) injectada per part del convertidor. Així doncs, es comprova que
el llaç de corrent ajusta les tensions 𝑉𝑙𝑞 i 𝑉𝑙𝑑 per tal d’injectar a la xarxa (en aquest cas el bus de
la microxarxa aïllada) els corrents generats pel sistema fotovoltaic.
En la banda de la xarxa, es pot observar com les tensions de la xarxa, 𝑉𝑧𝑞 i 𝑉𝑧𝑑, es mantenen a
l’amplitud pic de de xarxa, 400
√3√2 ≈ 326,6 [𝑉] i a 0 [𝑉] respectivament, tal i com assegura la
transformada de Park inversa (amb l’aplicació de l’angle de la xarxa adequat proporcionat per la
PLL).
Figura 51. Tensions aplicades pel VSC amb el sistema fotovoltaic en la referencia qd i tensions de xarxa en la
referencia qd.
60 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Comportament de la microxarxa
Per analitzar el comportament de la microxarxa completa, es considerarà la càrrega de valor
variable (40 kW i 50 kW).
Tenint en compte el criteri de signes (la potència negativa indica injecció a la xarxa per part del
convertidor fotovoltaic), el balanç de potències queda de la següent manera:
𝑃𝐺𝐷 = 𝑃𝐶 + 𝑃𝑙𝐹𝑉+ 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑
On:
𝑃𝐺𝐷: potència generada pel generador dièsel.
𝑃𝐶: potència sol·licitada per la càrrega.
𝑃𝑙𝐹𝑉: potència injectada per l’inversor fotovoltaic en la seva banda AC.
𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑: potència de pèrdues degudes a les inductàncies d’acoblament amb la xarxa, 𝑙𝑙, i les seves
resistències equivalents, 𝑟𝑙.
D’acord amb el correcte seguiment per part del convertidor VSC de les consignes de corrent
demostrades anteriorment, la potència fotovoltaica injectada, 𝑃𝑙𝐹𝑉, també varia en funció dels
perfils d’irradiància i temperatura.
Davant dels canvis de càrrega, el generador dièsel proporciona la potencia, 𝑃𝐺𝐷, necessària per
complir amb la potencia demandada per la càrrega, 𝑃𝐶. També cal tenir en compte la component
de les pèrdues, 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑, originades a les inductàncies d’acoblament i que queden cobertes pel
generador dièsel.
Figura 52. Balanç de potències de la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, una càrrega càrrega variable i el
generador dièsel.
61 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Es comprova també com el generador dièsel manté la tensió de la xarxa amb una amplitud de 400
√3√2 [𝑉]. La freqüència respon als canvis de potència injectada pels panells fotovoltaics ja que
aquests impliquen l’ajust d’una nova potència subministrada pel generador dièsel. Les
desviacions continuen sent per sota dels ± 0,75 𝐻𝑧 i sempre retornant als 50 Hz de freqüència de
xarxa gràcies a l’acció del regulador de velocitat isòcron del generador dièsel. No obstant tal i
com passava en l’operació normal del generador dièsel (apartat 5.1.3.1), a l’inici de la simulació
s’està dins dels rangs considerats com a transitoris (± 6 𝐻𝑧) establerts per la ISO 8528-5:2005.
Figura 53. Tensió i freqüència de la microxarxa generada pel generador dièsel.
Cal destacar que el generador dièsel ha d’absorbir la potència reactiva generada pels panells ja
que les càrregues del sistema són càrregues resistives pures (Figura 54). Aquest absorció de
potència reactiva provoca una lleugera distorsió en la tensió de xarxa imposada pel generador
dièsel i per tant en la qualitat de la potència subministrada (Figura 53 i Figura 52 respectivament).
62 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 54. Potència reactiva injectada pels panells i consumida pel generador dièsel.
63 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.2.3.2. Operació amb faltes de línia
En aquesta simulació es pretén observar el comportament de la microxarxa quan es produeixen
diferents tipus de faltes en diferents punts del sistema. El present treball no incorpora cap estudi
sobre els sistemes de detecció de faltes ni sobre l’aïllament i protecció de les línies que pateixen
curtcircuits.
Per tal de simplificar la visualització dels resultats, aquesta operació amb afectació de faltes es
planteja amb el valor de la càrrega constant.
Falta per derivació
La falta que s’ha provocat és del tipus asimètrica fase-terra per la fase A i produïda a la línia que
uneix el generador dièsel i la càrrega. Es considera un temps de falta 𝑡 = [4, 4,033] 𝑠 ja que
tenint en compte que els 10 segons de la simulació representen 10 hores de temps real, els 33 𝑚𝑠
de la falta simulada equival aproximadament als 2 minuts que pot durar la falta per derivació.
Figura 55. Tensió de xarxa durant una falta per derivació en la fase A.
Es comprova com la tensió de xarxa es desequilibra durant el temps del curtcircuit. La fase A de
la tensió de xarxa pren un valor pràcticament nul. Hi ha una oscil·lació de la tensió al voltant de
zero degut a que existeixen unes resistències residuals de curtcircuit de 0,001 𝛺 i de terra de
0,01 𝛺, en el bloc emprat de la modelització. Després de la falta, el generador dièsel estabilitza
la tensió fins a l’amplitud nominal de xarxa després d’un període transitori d’aproximadament 1
segon.
64 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 56. Intensitats durant la falta de curtcircuit d'una fase-terra (dreta). Detall de la fase A de la intensitat durant
la falta (esquerra).
De la mateixa manera, es produeix un desequilibri dels corrents de les diferents fonts. En el cas
del generador dièsel, el corrent de la fase A incrementa degut al curtcircuit. En un menor grau,
l’inversor fotovoltaic incrementa el corrent de la fase A i fase B (en vermell a la Figura 56). La
càrrega veu com el corrent de la fase A es fa zero degut a la falta de curtcircuit que implica un
elevat valor de corrent.
Falta en sèrie
A continuació es planteja una falta en sèrie en que la fase A queda en circuit obert. Aquesta falta
es produeix a la sortida de l’inversor fotovoltaic. Per tal de poder observar millor l’efecte de la
falta, aquesta es simula durant 100 𝑚𝑠 en el temps 𝑡 = [4, 4,1] 𝑠.
65 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 57. Intensitats trifàsiques durant una falta en sèrie en la fase A
En la Figura 57, s’observa que durant la falta en sèrie a la fase A, el balanç de corrents en el nus
del sistema es manté gràcies a la regulació de corrent entregat pel generador dièsel. Per una banda,
al tenir la fase A terminal en circuit obert, l’inversor fotovoltaic injecta més corrent per les dues
fases (B i C) on no hi ha cap falta per tal d’evacuar la potència activa generada pels panells. Per
altra banda, el generador dièsel ha de proporcionar en la fase A el corrent que no pot entregar
l’inversor fotovoltaic, augmentant així el corrent respecte les dues altres fases B i C. En canvi el
corrent entregat per les dues fases B i C disminueix en proporció a l’augment de corrent entregat
per l’inversor en les mateixes fases B i C.
66 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 58. Tensió de xarxa (dalt). Detall de la tensió de xarxa durant la falta en sèrie en la fase A (baix).
El desequilibri en els corrents provocats per la falta, fa que l’amplitud de les fases de la tensió de
xarxa establertes pel generador dièsel també es desequilibrin, amb la disminució de l’amplitud de
la fase A i l’augment de l’amplitud de les fases B i C. Per tant, durant la falta, degut al desequilibri
de les fases de les tensions, el generador dièsel intenta entregar la potència demandada per
cadascuna de les fases de la càrrega.
67 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.3. Sistema fotovoltaic amb sistema de bateries Aquesta simulació pretén estudiar el comportament del sistema de bateries amb el seu convertidor
grid-forming com a generador de xarxa. Es planteja el supòsit que el generador dièsel de la
microxarxa ha quedat fora de servei, ja bé sigui per haver-se produït un tall de línia o un problema
intern derivat, per exemple, de la falta de manteniment del generador.
5.3.1. Paràmetre de la simulació
Paràmetres de càrrega
Per la càrrega es manté el mateix valor de càrrega variable que en les simulacions anteriors
(apartat 5.1.1).
Paràmetres del sistema fotovoltaic
Paràmetres generals
S’estableix els mateixos paràmetres que en les simulacions anteriors (apartat 5.2.1).
Paràmetres de control (VSC grid feeding)
Es mantenen els mateixos paràmetres que en les simulacions anteriors.
No obstant, en aquest cas, a l’inversor fotovoltaic no hi ha un control de potència reactiva (la
consigna de potència reactiva és 0). Per tant l’inversor fotovoltaic només realitza un control de
potència activa.
Paràmetres del sistema de bateries
Paràmetres generals
El sistema de bateries no s’ha dimensionat degut a que el convertidor grid forming actua com una
font de tensió AC.
Els paràmetres dels elements del convertidor VSC grid forming són:
Capacitat de condensador del filtre d’acoblament: 𝐶𝑔𝑓𝑐 = 510[μF]
Resistència equivalent del filtre d’acoblament: 𝑟𝑓 = 0,5 [𝛺]
Inductància del filtre d’acoblament: 𝑙𝑓 = 5,4 [𝑚𝐻]
68 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Paràmetres de control (VSC grid forming)
Llaç de tensió del VSC grid forming:
La velocitat angular desitjada del llaç de tensió és 𝜔𝐸𝑔𝑓𝑐= 418,88 [
𝑟𝑎𝑑
𝑠]. És una velocitat 15
vegades més lenta que l’assignada al llaç de corrent.
El factor d’amortiment del llaç de tensió és 𝜉𝐸𝑔𝑓𝑐= 0,707
Llaç de corrent del VSC grid forming:
La constant de temps del controlador del llaç de corrent és 𝜏𝑔𝑓𝑐 = 1 𝑚𝑠. Aquesta velocitat suposa
que la velocitat angular del llaç sigui de 2𝜋 (1
0,001) [
𝑟𝑎𝑑
𝑠], i per tant 15 cops més ràpida que la
velocitat del llaç de tensió.
Paràmetres del control de droop
El pendent del control de droop 𝑃 − 𝑓, serà 𝐾𝑝𝑐𝑑 = 1,33 · 10−4 [𝐻𝑧
𝑘𝑊], mentre que el pendent del
control de droop 𝑄 − 𝑉, serà 𝐾𝑞𝑐𝑑 = 1,33 · 10−3 [𝐻𝑧
𝑘𝑊]. Per altra banda la constant de temps del
filtre passa-baixos serà 𝑡𝑠 =1
𝑤𝑐, on 𝑤𝑐 serà la freqüència de tall que pren un valor de 30 [
𝑟𝑎𝑑
𝑠].
69 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.3.2. Esquema del model
Esquema de la microxarxa amb els dos convertidors connectats a un mateix bus. No s’ha representat la part del control AC dels convertidors. El convertidor
grid forming, a l’actuar com una font de tensió AC, la bateria (font de tensió DC controlable) connectada a la part DC del convertidor, no se li assigna cap nivell
de tensió.
Figura 59. Esquema de la microxarxa operada amb convertidors grid forming i grid feeding.
70 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
5.3.3. Resultats
5.3.3.1. Operació normal
Amb la finalitat d’aconseguir una correcta simulació del sistema s’ha introduït un retard en la
injecció de potencia fotovoltaica en forma d’interruptor per forçar la connexió de la línia del
sistema fotovoltaic a l’instant 𝑡 = 0,03 𝑠. D’aquesta manera el convertidor grid-forming pot
formar la tensió de xarxa i pot imposar tant l’angle com la velocitat angular de la xarxa elèctrica,
necessaris pel control del llaç de corrent del convertidor grid-feeding.
En la Figura 61 la tensió dels condensadors en la seva referència qd, 𝑉𝑐𝑞𝑑, prenen els valors
consigna, és a dir, 𝑉𝑐𝑞∗ =
400
√3√2 ≈ 326,6 [𝑉] i 𝑉𝑐𝑑
∗ = 0 [𝑉], demostrant així que el convertidor
grid-forming, pot generar i mantenir una tensió de xarxa. Concretament a la Figura 60, s’observa
com 𝑉𝑐𝑞 s’ajusta gràcies l’acció del llaç de tensió. D’acord amb el paràmetre de control 𝜔𝐸𝑔𝑓𝑐=
418,88 [𝑟𝑎𝑑
𝑠], el llaç de tensió, reacciona als canvis d’irradiació (més corrent DC injectat per part
del grid feeding) en t=[1, 2, 3, 7, 8, 9] [s].
També s’observa com les tensions aplicades en la part AC del convertidor grid forming, 𝑉𝑙(𝑔𝑓𝑐)𝑞
i 𝑉𝑙(𝑔𝑓𝑐)𝑑, també s’ajusten en funció de la irradiació que reben els panells. És a dir, com més
generació de corrent per part del sistema fotovoltaic, el convertidor grid forming disminuirà les
tensions aplicades en la seva part AC per tal d’injectar menys corrent.
Figura 60. Detall tensió al condensador Vcq.
Figura 61. Tensions als condensadors i tensions aplicades a la banda AC del convertidor grid-forming.
71 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
A la Figura 62, es pot verificar que el llaç de tensió del convertidor grid-forming manté els valors
de tensió consigna als condensadors per tal de generar el corrent de referència, 𝐼𝑞∗
(𝑔𝑓𝑐) , per al llaç
de corrent. Aquest corrent de referència és seguit satisfactòriament tal i com mostra la
superposició dels senyals 𝐼𝑞∗
(𝑔𝑓𝑐) i 𝐼𝑞(𝑔𝑓𝑐)
. Per tant, avaluant els corrents que circulen per la
microxarxa, es veu com el convertidor grid-forming, és capaç de subministrar el corrent no
generat pels panells fotovoltaics, assegurant que en el nus de la microxarxa el balanç de corrent
sigui nul.
Figura 62. Corrents circulants per la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, sistema de bateries i càrrega.
De manera anàloga, també es representa el balanç de potències de la microxarxa. En la Figura 63
s’observa com la potència entregada pel convertidor grid-forming, 𝑃𝑙(𝑔𝑓𝑐), contribueix a cobrir
la demanda de la càrrega, 𝑃𝐶𝑎𝑟𝑟, que no pot aportar la potència fotovoltaica. També es pot
observar, com el convertidor grid-forming respon al pic de càrrega en t=[5] s.
Cal notar que les pèrdues a les inductàncies dels acoblaments dels convertidors augmenten
significativament. Per tant, és un fet que cal considerar quan s’incorporen nous convertidors
d’electrònica de potència a la xarxa en substitució dels generadors síncrons convencionals.
També cal tenir present que pel sistema proposat de bateries que interconnecta el convertidor
grid-forming no s’ha tingut en compte la seva capacitat. De manera que, enfront de canvis de
càrrega importants el sistema pot no ser capaç de cobrir la demanda tot i que seguiria imposant la
tensió i freqüència de xarxa pel convertidor grid-feeding del sistema fotovoltaic.
72 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Figura 63. Balanç de potències de la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, sistema d’emmagatzematge i
càrrega.
En el supòsit que la càrrega fos molt petita (per exemple 10 kW constants), el convertidor accepta
també un flux bidireccional d’energia. En la Figura 64, entre 𝑡 = [3 8] 𝑠 el sistema fotovoltaic
pot cobrir tota la càrrega i per tant també injecta potència a la bateria.
Figura 64. Balanç de potències de la microxarxa formada pels panells fotovoltaics, sistema d’emmagatzematge i
càrrega. Cas càrrega petit (10 kW constants).
73 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
La freqüència del sistema es manté a 50 Hz sempre i quan la càrrega es mantingui al valor nominal
de 40 kW (𝑃𝑜 , descrita en l’esquema del control de droop). Quan es produeix el canvi de càrrega,
el control de droop modifica la referència de freqüència. Per un canvi de potència de 10 kW i
tenint en compte que el pendent del control de droop 𝑃 − 𝑓 és 𝐾𝑝𝑐𝑑 = 1,33 · 10−4 [𝐻𝑧
𝑘𝑊], la
disminució de freqüència és de 1,33 Hz.
Figura 65. Freqüència de la microxarxa generada pel grid forming converter.
Tal i com ja s’ha mostrat anteriorment, la tensió de xarxa es manté constant al llarg de tota la
simulació. En cas de que ocorregués una demanda de potència reactiva per part de la càrrega, el
control de droop 𝑄 − 𝑉, actuaria imposant una tensió de referència, 𝑉𝑐𝑞∗ , nova en funció del valor
del pendent 𝐾𝑞𝑐𝑑.
Per últim cal dir que, en aquesta simulació, degut a la dinàmica dels control dels convertidors, no
es produeixen sots de tensió o de freqüència que puguin afectar la qualitat del subministrament
de la microxarxa, com sí es produïa en l’operació de la microxarxa híbrida governada pel
generador dièsel (apartat 5.2.3.1).
74 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
6. Pressupost El pressupost del projecte s’ha dividit en dues parts, els cost de recursos humans i el cost de la
infraestructura tècnica.
6.1. Cost de recursos humans El cost de recursos humans es divideix en quatre partides: cost associat a la cerca d’informació,
planificació del treball i investigació i aprenentatge realitzats a l’inici i durant tot el projecte; cost
associat a la modelització dels sistemes, cost associat a les simulacions realitzades i cost de
redacció del projecte.
El cost tota d’hores de dedicació al projecte ha sigut de 650 hores. Els preus unitaris s’han establert
segons el preu que l’autor creu just per a un enginyer graduat de Màster. També s’ha pres com a
referència una remuneració del doble dels 8 €/h establerts per l’ETSEIB com remuneració de les
pràctiques curriculars en empresa. La partida de cerca d’informació, planificació i investigació i
la partida de simulació se’ls hi ha aplicat un sobrecost per l’esforç i dedicació que suposen.
Partida de recursos humans Preu unitari [€/h] Quantitat [h] Total [€]
Cerca d'informació, planificació i investigació 20 130 2.600
Modelització 16 163 2.600
Simulació 20 228 4.550
Redacció 16 130 2.080
Subtotal Cost recursos humans 11.830 Taula 12. Desglossament de les partida de recursos humans.
6.2. Cost infraestructura tècnica El projecte no implica cap assaig real amb equips de laboratori que puguin emular una microxarxa
aïllada. Per tant la el cost d’infraestructura tècnica engloba la partida dels equips informàtics i la
partida relacionada amb la llicència del programari utilitzat.
Partida equips Preu unitari [€/u] Quantitat [u] Total [€]
HP Probook Intel Core i5 (8 GB de RAM) 973 1 973
Ratolí inalàmbric Logi M590 31 2 62
Subtotal Partida equips 1.035
Partida llicències Preu unitari [€/u] Quantitat [u] Total [€]
Matlab R2020b (llicència Individual Anual) 800 1 800
Subtotal Partida llicències 800
Subtotal Cost infraestructura tècnica 1.835 Taula 13. Desglossament de les partida d'infraestructura tècnica.
75 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
6.3. Cost total El cost total del projecte és la suma de les partides d’infraestructura de recursos humans i
infraestructura tècnica.
Total [€]
Subtotal Cost recursos humans 11.830
Subtotal Cost infraestructura tècnica 1.835
Cost total (sense IVA) 13.665
Cost total (amb 21% d'IVA) 16.535 Taula 14. Cost total del projecte.
Els cost total és orientatiu ja que s’ha de tenir en compte que no s’ha comptabilitzat partides
com el cost de l’electricitat total consumida necessària per al funcionament de l’ordinador.
76 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
7. Impacte ambiental El principal impacte ambiental relacionat amb l’operació real de les diferents tipologies de
microxarxa estudiades en aquest treball, està relacionat amb el funcionament del generador dièsel.
Tot i el generador dièsel, emet diferents gasos com el monòxid de carboni, òxids de nitrogen o
diòxid de sofre [41], s’avaluarà el còmput d’emissions a partir dels ratis de diòxid de carboni
(CO2) tal i com queda recollit a la literatura [42]. El CO2 emès en funció depèn del litres consumits
pel generador. Alhora els litres consumits depenen del percentatge de càrrega d’operació del
generador. Un generador operant a plena càrrega consumirà més L/h que un generador a mitja
càrrega. No obstant, el consum específic en [L/kWh] augmenta si el generador opera a càrrega
baixa. En [42] es planteja una relació lineal per determinar el consum de en L/h d’un generador
dièsel en funció de la càrrega.
𝐹 = 0,246 · 𝑃𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 + 0,08415 · 𝑃𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
Es determinaran les emissions de les dues tipologies de microxarxa on actua el generador dièsel.
S’avaluen les emissions tenint en compte un factor estàndard d’emissions 3 [kg CO2/L] [42] i
sota la l’operació normal de la microxarxa.
Hores 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Operació normal:
GD
PGD [kW] 40 40 40 40 40 50 50 50 40 40
F [L/h] 17,0 17,0 17,0 17,0 17,0 19,5 19,5 19,5 17,0 17,0
E [kg CO2] 51,0 51,0 51,0 51,0 51,0 58,4 58,4 58,4 51,0 51,0
Operació normal:
GD+FV
PGD [kW] 34 33 27 22 22 32 32 35 28 33
F [L/h] 15,5 15,3 13,8 12,6 12,6 15,0 15,0 15,8 14,0 15,3
E [kg CO2] 46,6 45,8 41,4 37,7 37,7 45,1 45,1 47,3 42,1 45,8 Taula 15. Emissions horàries generades en l’operació del generador dièsel sol i la microxarxa híbrida.
Al tractar-se d’aplicacions de microxarxes aïllades de petites dimensions, com un petit centre de
producció o un conjunt d’instal·lacions comercials o d’us terciari d’una zona rural, l’impacte en
quantitat d’emissions no serà excessivament gran. Tot i així, tenint en compte les 10h d’operació
durant els 365 dies de l’any, la microxarxa híbrida permet passar de les 194 [𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2
𝑎𝑛𝑦] a
158,5 [𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐶𝑂2
𝑎𝑛𝑦] i que representant una disminució del 18 % de les emissions.
S’ha de tenir en compte que l’operació de la tipologia de microxarxa hibrida, té impactes
ambientals secundaris com la generació de residus dels panells o de bateries un cop han arribat a
la final de la seva vida útil (30 anys pel cas dels panells). En el cas del panell utilitzat LG395N2W-
V5, al cap de 25 anys, el rendiment disminueix en un 89,6% respecte del rendiment inicial [15].
Degut a les petites dimensions del present treball, els impactes en quan a generació de residus no
és significatiu. Tot i així, s’ha de tenir en compte que a nivell europeu existeixen directives com
2012/19/EU sobre els residus elèctrics i electrònics, que imposen objectius com el reciclatge de
panells fotovoltaics de fins al 80-85% [43]. D’aquesta manera es contribueix a la reducció de
residus que puguin acabar en zones desafavorides econòmicament.
77 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
8. Conclusions En el present treball s’ha estudiat la modelització de diferents tipologies i configuracions de
microxarxes aïllades. Primerament s’ha realitzat la modelització dels panells fotovoltaics i el
control de MPPT. S’ha estudiat la modelització del convertidor VSC simplificat així com el
disseny del seu control diferenciant entre dues tipologies de convertidor com són el grid feeding
i el grid forming.
També s’ha plantejat l’estudi del generador dièsel i així com dels seus diferents controls, on el
disseny de totes les parts ha sigut a partir de blocs predeterminats. En les primeres simulacions
amb els paràmetres predeterminats del control i de la seva inèrcia del generador dièsel i de la seva
inèrcia, s’ha observat una gran inestabilitat en la resposta. Per tant s’han realitzat una sèrie de
simulacions per tal d’aconseguir respostes robustes i estables.
Referent a l’operació del generador dièsel connectat a una càrrega variable se’n poden extreure
algunes conclusions principals. En un mode d’operació normal, s’ha observat que el generador
dièsel pot subministrar la potència sol·licitada per la càrrega proporcionant una estabilitat correcta
de freqüència de xarxa (gràcies al regulador de velocitat isòcron) dins dels límits establerts per la
ISO 8528-5:2005. No obstant, durant l’engegada es sobrepassen els límits de freqüència, i per
tant queda afectada la qualitat del subministrament d’energia; un fet crític si les càrregues són de
tipus industrial. Un gran canvi en la càrrega, provoca un important sot de tensió. Tot i així, es
demostra que el generador dièsel és capaç de treballar per sobre de les seves condicions nominals,
sempre tenint en compte els riscos tèrmics que pateixen els components. També s’ha comprovat
que una sobrecarregada provoca la pèrdua de sincronisme del rotor i la conseqüent caiguda de
tensió fins a nivells residuals.
A la tipologia de microxarxa híbrida, s’ha operat amb èxit demostrant varis aspectes.
Primerament, s’ha demostrat el correcte funcionament del control del convertidor VSC estudiat i
dissenyat, ja que tant el llaç de tensió DC com el llaç de corrent han funcionat correctament. El
primer, encarregant-se de la regulació del bus DC i el segon, ajustant les tensions de la banda AC
del convertidor per tal d’injectar el corrent de referència que indiquen els panells. A més, s’ha
comprovat com el generador és de mantenir la tensió i també freqüència de xarxa gràcies al
regulador de velocitat isòcron. També s’ha comprovat el balanç de potència entre les unitats
generadores per tal de satisfer la càrrega. Per últim s’ha estudiat el comportament de la microxarxa
enfront de les problemàtiques de faltes de línia i s’ha verificat els efectes que se’n deriven. No
obstant, en aquesta simulació s’ha comprovat que existeixen limitacions pel que fa al
dimensionament del sistema fotovoltaic degut a la seva naturalesa no inercial, enfront de la inèrcia
que presenta el generador dièsel.
En la microxarxa formada pel sistema fotovoltaic i les bateries, s’ha comprovat el correcte
funcionament del convertidor grid forming. S’ha observat com aquest convertidor, forma la xarxa
i imposa la freqüència necessària pel funcionament en paral·lel del convertidor grid feeding. A
més, el control de droop incorporat al convertidor grid forming provoca la desviació de freqüència
corresponen als pendent de droop assignat. Les naturaleses no inercials dels convertidors, fan que
les respostes siguin molt ràpides, proporcionant així una molt bona estabilitat de xarxa.
8.1. Línies de treball futures Hi ha múltiples línies de treball en les que es pot ampliar l’estudi del present treball.
Al tractar-se d’un treball d’una microxarxa amb un generador dièsel, un dels primers punts a
millorar pot ser plantejar l’anàlisi de la microxarxa a partir d’un un estudi previ en règim
78 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
permanent per tal de confirmar els punts estables d’operació de la microxarxa aïllada i d’aquesta
manera poder fer un dimensionament acurat de les diferents fonts de generació distribuïda.
També es poden plantejar noves operacions, fent simulacions de la transició d’una desconnexió
de generador dièsel a una connexió immediata del grid forming, ja que en el present treball s’han
tractat els casos de manera independent.
Referent al generador dièsel es pot plantejar un control de droop per a que treballi en paral·lel
amb el convertidor VSC en mode grid-forming, o en paral·lel amb altres generadors dièsel que
també incorporin un control de droop. D’aquesta manera es pot fer un estudi acurat sobre el
repartiment de càrrega (power sharing) entre els diferents elements de generació distribuïda de la
microxarxa.
També es poden incorporar mecanismes de load-shedding que tenen per objectiu reduir pics de
l’amplitud del voltatge i de la freqüència resultants de pertorbacions severes a la microxarxa, de
manera ràpida.
D’altres millores podrien implica la incorporació d’unitats d’emmagatzematge distribuït, com
bateries o piles de combustible però interconnectades amb el convertidor VSC grid-feeding. A
més es pot tenir en compte l’estudi dels diferents paràmetres com la capacitat, l’estat de càrrega
o la profunditat de descàrrega. Addicionalment, es pot incorporar un sistema d’Energy
Management System amb SCADA, per tal de coordinar la contribució i la acció de totes les fonts
de generació de la microxarxa.
Des del punt de vista del control de convertidors, a les dues tipologies de convertidor VSC
presentades al treball, s’hi pot incorporar una tercer tipus de convertidor com són els grid-
supporting. Aquest tipus de convertidor poden participar en la regulació de l’amplitud i freqüència
de la xarxa, tant en microxarxes aïllades com connectades a xarxa, sense la necessitat de la
presència d’un convertidor grid-forming.
Referent a d’altres estratègies de control, una altra línia de treball pot ser la incorporació de
generadors síncrons virtuals. Aquest sistema imita el comportament d’un generador síncron real
mitjançant l’emulació les seves propietats d’inèrcia i d’amortiment. D’aquesta manera es pot
alliberar el sistema de masses rodants per fer front als aspectes d’estabilitat de freqüència.
79 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Agraïments M’agradaria agrair al tutor del treball, el professor Oriol Gomis-Bellmunt pels consells i l’atenció
rebuda al llarg de la realització del treball.
80 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Referències [1] OLIVARES, D. et al., Trends in Microgrid Control IEEE Transactions On Smart Grid,
Vol. 5, Nº. 4, Juliol 2014.
[2] Office of Electricity Delivery and Energy Reliability Smart Grid R&D Program DOE
Microgrid Workshop Report. San Diego, Califòrnia, 2011. Report.
[3] HIRSCHA, A., PARAGA, Y., GUERRERO, J.: Microgrids: A review of technologies,
key drivers, and outstanding issues. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
Volum 90, Pag. 402-411. Juliol 2018.
[4] MIAO, Z., DOMIJAN, A., FAN, L.: Investigation of Microgrids With Both Inverter
Interfaced and Direct AC-Connected Distributed Energy Resources. IEEE Transactions
On Power Delivery, Vol. 26, Nº. 3, Juliol 2011.
[5] KAABECHE, A., IBTIOUEN, R.. Techno-economic optimization of hybrid
photovoltaic/wind/diesel/battery generation in a stand-alone power System. Solar Energy
103 (2014) 171–182.
[6] TAMRAKAR, U., SHRESTHA, D., MAHARJAN, M., BHATTARAI, B.P., HANSEN,
T.M., TONKOSKI, R.: Virtual Inertia: Current Trends and Future Directions. Applied
Sciences. 2017; Nº 7:654. https://doi.org/10.3390/app7070654
[7] ISO. ISO 8528-5:2005: Reciprocating Internal Combustion Engine Driven Alternating
Current Generating Sets—Part 5: Generating Set. International Organization for
Standardization (ISO): Gènova, Suïssa, 2005.
[8] ISO. ISO 8528-1:2005: Reciprocating Internal Combustion Engine Driven Alternating
Current Generating Sets—Part 1: Application, ratings and performance. International
Organization for Standardization (ISO): Gènova, Suïssa, 2005.
[9] RAHMAN FAHIM, S.R., SARKER, S.K., MUYEEN, S. M., SHEIKH, R.I., DAS, S.K..
Microgrid Fault Detection and Classification: Machine Learning Based Approach,
Comparison, and Reviews. MPDI- Energies 2020, Nº 13: 3460.
https://doi.org/10.3390/en13133460
[10] MOHAN SAHA, M., IZYKOWSKI, J., ROSOLOWSKI, E.: Fault Location on
Power Networks. Nova York: Springer, 2010. ISBN 978-1-84882-885-8.
[11] BLACKBURN, J. L., DOMIN, T. J.:Protective relaying. Principles and
Applications. CRC Press, 2007. ISBN: 1-57444-716-5.
[12] PADIYAR, K.R.: Power System Dynamics: Stability and Control. Hyderabad,:
BS Publications, 2008. ISBN 81-7800-186-1
[13] EGEA, A., JUNYENT, A., GOMIS, O. Active and Reactive Power Control of
Grid Connected Distributed Generation Systems. Green Energy and Technology.
Heidelberg, 2011, pàg. 47-81
81 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
[14] VILLALVA, M., GAZOLI, J., FILHO, E.: Comprehensive Approach to
Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays, 2009
[15] Fitxa tècnica mòdul LG
https://www.lg.com/us/business/download/resources/BT00002151/LG395-400N2W-
V5.pdf, (consultat el 25 de febrer de 2021)
[16] VERMA, D., NEMA, S., SHANDILYA, A.M., DASH, S.. Maximum power
point tracking (MPPT) techniques: Recapitulationin solar photovoltaic Systems.
Renewable and Sustainable Energy Reviews (2016), Volume 54, pp. 1018-1034.
[17] SENGAR, S. Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic
System: A Review. International Review of Applied Engineering Research (2014) Volume
4, Number 2 , pp. 147-154. ISSN 2248-9967.
[18] BAIMEL, D., TAPUCHI, S., LEVRON, Y., BELIKOV, J.. Improved Fractional
Open Circuit Voltage MPPT Methods for PV Systems. Electronics-MDPI (2019), Volume
8.
[19] KING, D.L. , KRATOCHVIL, J.A., BOYSON, W.E.. Temperature coefficients
for pv modules and arrays: measurement methods, difficulties, and results. Sandia
National Laboratories (1997)
[20] ROCABERT, J., LUNA, A., BLAABJERG, F., RODRÍGUEZ, P.: Control of
Power Converters in AC Microgrids. IEEE Transactions On Power Electronics, Vol.
27, Nº. 11, Novembre 2012.
[21] HARNEFORS, L., NEE, H.-P.: Model-based current control of ac machines
using the internal model control method. IEEE Transactions on Industry Applications,
1998, Vol. 34 Nº. 1, pàg. 133–141
[22] PRIYADARSHINII, M., PADMA, S., DHARSHANA, P.: Standard and
Modified Internal Model Control for Induction Motor Speed-regulation. IEEE
International Conference on Emerging Trends in VLSI, Embedded System, Nano
Electronics and Telecommunication System (ICEVENT), 2013.
[23] SEBAA, M., HASSAINE, S., OGAB, C.: Robust Control Method for PMSM
Based on Internal Model Control with Speed and Load Torque Estimator. International
Journal on Electrical Engineering and Informatics, 2017, Vol. 9, Nº 3.
[24] PEGUEROLES-QUERALT, J., BIANCHI, F., GOMIS-BELLMUNT, O.:
Optimal Droop Control for Voltage Source Converters in Islanded Microgrids. Power
Plant and Power System Control Symposium. "8th PIFAC Proceedings Volumes (IFAC-
PapersOnline) Control Symposium, PPPSC 2012". Toulouse: 2012, p. 566-571.
[25] ABDEL-RADY, Y., MOHAMED, I., EL-SAADANY, E.: Adaptive
Decentralized Droop Controller to Preserve Power Sharing Stability of Paralleled
82 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
Inverters in Distributed Generation Microgrids. IEEE Transactions On Power
Electronics, Vol. 23, Nº. 6, Novembre 2008.
[26] DE BRABANDERE, K., BOLSENS, B., VAN DEN KEYBUS, J., WOYTE, A.,
DRIESEN, J., BELMANS, R.; A Voltage and Frequency Droop Control Method for
Parallel Inverters, IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2004.
[27] KHALEDIAN, A., ALIAKBAR GOLKAR, M.; Analysis of droop control
method in an autonomous microgrid. Journal of Applied Research and Technology, Nº
15, p. 371–377, 2017.
[28] FRAILE, J. Màquina elèctricas. Madrid: McGraw-Hill, Inc. 2008. ISBN: 978-
84-481-6112-5
[29] ANDRADA, P. Tema 5. Accionaments elèctrics amb motors sincrons trifàsics
(apunts). Disseny de màquines i accionaments elèctrics. Assignatura Q3 MUEI-ETSEIB
[30] KUNDUR, P.. Power System Stability and Control. McGraw-Hill, Inc, 1994.
ISBN:0-07-035958-X.
[31] KHURSHEED, M., MALLICK, M. A., IQBAL, A. Performance Analysis of
Closed loop Control of Diesel generator power supply for Base Transceiver (BTS) Load.
International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE)
ISSN: 2278-3075, Vol. 8 Issue-9, Juliol 2019.
[32] WANG,X.F., SONG, Y., IRVING, M.. Modern Power Systems Analysis. Nova
York: Springer. ISBN 978-0-387-72852-0
[33] TSEGAYE, S., FANTE, K. A.. Analysis of Synchronous Machine
ExcitationSystems: Comparative Study. International Journal of Energy and Power
Engineering Vol:10, No:12, 2016
[34] KRISTIANSEN NØLAND, J., NUZZO, S., TESSAROLO, A., FERNANDO
ALVES, E.. Excitation System Technologies for Wound-Field Synchronous Machines:
Survey of Solutions and Evolving Trends IEEE Access, Vol. 7, 2019.
[35] IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System
Stability Studies. IEEE Standard, Vol. 421, Nº. 5, 2005.
[36] KRISHNAMURTHY, S., JAHNS, T. M., LASSETER, R. H., Life . The
Operation of Diesel Gensets in a CERTS Microgrid. Power and Energy Society General
Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008.
[37] COSSE, R.E., ALFORD, M.D., HAJIAGHAJANI, M., HAMILTON, E.R..
Turbine/generator governor droop/isochronous fundamentals – a graphical approach.
Record of Conference Papers Industry Applications Society 58th Annual IEEE Petroleum
and Chemical Industry Conference (PCIC), 2011.
[38] ALLEY, S. D.. Generator Basics: Applied to Field Problems. NETA World,
1993.
83 Modelització i operació de diferents tipologies d’una microxarxa aïllada
[39] CUMMINS GENERATOR TECHNOLOGIES. Application Guidance Notes:
Technical Information from Cummins Generator Technologies. AGN 013 - Alternator
Ratings and Overload. Guia informativa Stamford AVK: AGN 013 ISSUE C/1/10.
[40] IKHLAQ, S., SINGH, B, SUKUMAR, M.: A Synchronous Generator Based
Diesel-PV Hybrid Micro-grid with Power Quality Controller. IEEE 26th International
Symposium on Industrial Electronics (ISIE), 2017.
[41] NETT Technologies, Inc. https://www.nettinc.com/information/emissions-
faq/what-are-diesel-emissions, (consultat el 10 de juny de 2021)
[42] JAKHRANI, A., OTHMAN, A., RIGIT, A., SAMO, S.: Estimation of Carbon
Footprints from Diesel Generator Emissions, IEEE International Conference on Green
and Ubiquitous Technology, 2012.
[43] IEA: Report End‐of‐Life Management of Photovoltaic Panels: Trends in PV
Module Recycling Technologies, Report IEA‐PVPS T12‐10:2018, 2018.