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Uso de la energia electrica

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  • 1. Resumen Sin duda, la energa elctrica es la forma de energa ms ampliamente usada en lasactividades econmicas y sociales de nuestro mundo moderno. Por ello, se puede decir que lascompaas generadoras y distribuidoras de electricidad asumen dos retos de relevantepreocupacin actual. Uno es generar con mayor eficiencia, menor costo y con un mnimo impactosobre el medio ambiente. El segundo es cumplir con la calidad del suministro, que ha llegado aser un punto importante tanto para los usuarios como para las compaas que distribuyen laenerga elctrica, y que se refleja en una distribucin y un consumo de energa ms eficiente.El trabajo de tesis que se presenta, describe un sistema fotovoltaico (SFV) interconectadoa la red elctrica que ayuda a superar los retos citados. Este SFV tiene la funcin de recibir laenerga solar entregada por un arreglo de celdas FV; operar en el punto mximo de potencia delas celdas (para mayor aprovechamiento de la energa captada); acondicionarla a una sealalterna, dentro de los parmetros tcnicos normativos para la interconexin elctrica (establecidospor la compaa; CFE en Mxico); e inyectarla a la red elctrica con el propsito de compensarpotencia reactiva (filtrado activo) demandada por cargas lineales y no lineales, reduciendo lacontaminacin de la red elctrica; adems de compensar potencia activa en los picos de demandade energa elctrica mxima. El sistema funciona como filtro activo durante todo el da, lo quepermite que la capacidad de potencia instalada por el equipo se aproveche al mximo y nosolamente durante el periodo del da en que se dispone de la radiacin solar.Las principales ventajas que se tienen son: implementacin sencilla, robusta y con altainmunidad a la variacin de parmetros. En las funciones de filtro activo, las seales dereferencia necesarias para modular el inversor, se obtienen utilizando la tcnica de cancelacin deinterferencia adaptiva. Esta tcnica mantiene al sistema en el mejor estado funcional, mediante uncontinuo autoajuste ante cambios en los parmetros de operacin, generando resultadosimportantes y satisfactorios. Adems, simultneamente el SFV utiliza, en el seguimiento delpunto de mxima potencia, la tcnica de perturbar y observar, la cual ofrece un alto desempeoen la inyeccin de potencia activa.i

2. IntroduccinHasta el momento la mayora de los inversores existentes en el mercado que se diseanpara la interconexin de fuentes de energa renovable a la red elctrica, que no afectan la calidadde la red y que adems ofrecen varias prestaciones tcnicas. Sin embargo, no contemplan dentrode su filosofa de operacin, mecanismos que permitan contribuir con la calidad de la redelctrica en el punto de interconexin; es decir contribuir a elevar el factor de potencia y a reducirla contaminacin armnica debido a las cargas elctricas del usuario. Las razones por las que nose contempla esto todava, puede deberse por un lado, al costo adicional que involucra el tenerque implementar las tcnicas de control requeridas; y por el otro, al poco material existente entrminos de normatividad para este tipo de tecnologa (en lo cual ya varios pases se encuentrantrabajando arduamente). Por ello, el prototipo desarrollado en la presente tesis de maestra tienecomo principal importancia, no solamente inyectar potencia activa a la red (siguiendo el punto demxima potencia FV); sino tambin elevar el factor de potencia y reducir la contaminacinarmnica en el punto de interconexin, mediante un control robusto, sencillo y en consecuenciade bajo costo que utiliza la misma etapa de potencia. La organizacin de este trabajo de investigacin comienza en sus primeros dos captuloscon un enfoque general de la situacin energtica nacional, con la intencin de dar una referenciaacerca de las reas que resultan beneficiadas con este tipo de desarrollos tecnolgicos; las cualeshan sido de gran preocupacin en los ltimos aos. El enfoque ser en trminos de Calidad yAhorro de la Energa Elctrica en el sector elctrico y residencial, dadas las metas de estainvestigacin. Por lo tanto, se comentan las medidas que se estn tomando dentro de losdiferentes sectores consumidores de energa elctrica en el marco de eficiencia energtica. Seaborda el concepto de generacin distribuida mediante energas renovables. Tambin se muestrael rumbo de los SFV interconectados en Mxico, as como las soluciones que stos daran aserios problemas que enfrenta la compaa suministradora de electricidad, tanto por picos dedemanda mxima, como por calidad del suministro elctrico. Se presenta tambin unadescripcin sustancial de la Calidad de la Red Elctrica, del impacto que sta tiene ante lainterconexin de diversas cargas y de las soluciones tcnica y econmicamente viables utilizadas 3. CENIDET Introduccinen la actualidad para mejorarla. As mismo, se hace referencia a la normatividad nacionale internacional que rige los aspectos relacionados con este trabajo. En el captulo III se tiene el diseo de la etapa de control. Se presentan las tcnicasexistentes en la deteccin de las referencias para los filtros activos (FA), los fundamentos tericosen los que se basa el control para proveer funciones de FA al sistema, un breve anlisismatemtico de su funcin de transferencia, y su implementacin electrnica. Se describentambin las protecciones elctricas del prototipo. En el captulo IV se presenta el diseo de la etapa de potencia. En la primera parte semuestra un anlisis terico de la filosofa de funcionamiento del sistema, a lo largo del da.Posteriormente se presentan: los diseos e implementacin de cada elemento (componentespasivos y dispositivos semiconductores de potencia), los compromisos y las consideracionespertinentes que se tomaron para obtener una eficiencia alta, tanto en su propio funcionamiento,como en su interaccin con el conjunto red-usuario, as como las prdidas en el inversor. En el captulo V se tienen los resultados ms representativos del trabajo de investigacin.Se comienza separando dichos resultados en trminos de compensacin reactiva y activa, amanera de evaluar su comportamiento para cada caso. Se presenta tambin su desempeo condiferentes tipos de carga elctrica (tanto cargas no lineales, como lineales), incluso su dinmicaante escalones de carga. En la ltima seccin se presenta un anlisis, en funcin de la producciny prdidas que se tendra en la interaccin del prototipo con el binomio red elctrica carga(usuario de la red) en un determinado periodo, con la intencin de mostrar el impacto tecnolgicoque tiene para dicho binomio los SFV de este tipo. En el captulo VI se presentan las conclusiones obtenidas a lo largo de la investigacin,con la finalidad de poder evaluar los retos que se presentaron, as como las alternativas desolucin que se tomaron para alcanzar los objetivos propuestos. Se plantean tambin los trabajosfuturos a desarrollar para mejorar el diseo, o bien para apoyar a otros posibles desarrollos.iv 4. TABLA DE CONTENIDOResumen iIntroducciniiCAPTULO I Antecedentes 1I.1 Introduccin1I.2 Uso de la energa elctrica 3 I.2.1 Consumo de energa 3 I.2.2 Sector energa 4 I.2.3 Sector residencial 4 I.2.4 Administracin de la demanda 4I.3 Calidad de la red elctrica 7 I.3.1 Generalidades7 I.3.2 Perturbaciones de la red elctrica 7 I.3.3 Cargas crticas10 I.3.4 Responsables 11I.4 Planteamiento del problema12 I.4.1 Picos de demanda mxima12 I.4.2 Contaminacin armnica 14 I.4.3 Factor de potencia 15 I.4.4 Normatividad 16I.5 Justificacin 17I.6 Revisin del estado del arte17 I.6.1 Sistema fotovoltaico 17 I.6.2 Tcnicas de deteccin de corrientes reactiva y armnicas 19I.7 Aportaciones20 5. CENIDET Tabla de ContenidoCAPTULO II SFV Interconectados a Red 21 II.1 Introduccin21 II.2 Aplicacin de los SFV interconectados a red 22II.2.1 Consideraciones para la interconexin24II.2.2. Proteccin y seguridad25 II.3 Generacin elctrica distribuida27II.3.1 Concepto 27II.3.2 Beneficios 27 II.4 Impacto en la calidad de red29II.4.1 Efectos de la distorsin armnica29II.4.2 Efectos en el factor de potencia 30II.4.3 Equipos para incrementar la calidad de la red31II.4.4 Filtros activos32II.4.4.1 Clasificacin de los filtros activos 32II.4.4.2 Funcionamiento bsico de un filtro activo paralelo 33CAPTULO III Diseo de la Etapa de Control35 III.1 Introduccin 35 III.2 Sistema fotovoltaico de inyeccin de potencia activa (SFIPA) 36III.2.1 Estrategia para las funciones de filtrado activo36 III.3 Deteccin de corrientes reactiva y armnicas para seales de referenciaen filtros activos37III.3.1 Tcnicas existentes 37III.3.2 Seleccin del control 39 III.4 Circuito de deteccin de corrientes reactiva y armnicas (CDCRA) 39III.4.1 Mtodo de deteccin adaptable para corrientes reactiva y armnicas 39III.4.1.1 Estudio de la funcin de transferencia del CDCRA40III.4.1.2 Efecto del valor de ganancia en el lazo de retroalimentacin 43 6. CENIDET Tabla de ContenidoIII.4.2 Diseo e implementacin del CDCRA 44 III.5 Integracin del CDCRA al SFIPA 46III.5.1 Diagrama a bloques46III.5.2 Set point 47III.5.3 Implementacin48 III.6 Tcnica de modulacin48III.6.1 Sincronizacin con la lnea 48III.6.2 Acondicionamiento de la seal de referencia de lnea49III.6.3 Seales de control para los interruptores de potencia 50 III.7 Etapa de protecciones y seguridad52III.7.1 Sobrecorriente52III.7.2 Aislamiento de lnea (Islanding)53III.7.3 Inyeccin de CD 54CAPTULO IV Diseo de la Etapa de Potencia55 IV.1 Introduccin55 IV.2 Flujo de energa56IV.2.1 Caso I: Periodo de insolacin56IV.2.2 Caso II: Periodo de oscuridad57 IV.3 Bus de CD 57IV.3.1 Arreglo FV 58IV.3.2 Condensador de CD58 IV.4 Inversor60IV.4.1 Dispositivos de conmutacin60IV.4.2 Circuitos impulsores para los dispositivos de conmutacin61IV.4.3 Prdidas en los IGBTs 62IV.4.4 Prdidas en los diodos 63IV.4.5 Diseo trmico 63IV.4.6 Anlisis del tiempo muerto 65 IV.5 Transformador elevador67 IV.6 Inductor de interconexin 69 7. CENIDETTabla de Contenido IV.7 Potencia aparente manejada como FA 72CAPTULO V Resultados Experimentales 58 V.1 Introduccin58 V.2 Especificaciones del prototipo59 V.3 Compensacin d