Diseño de un sistema de estabilización del voltaje de línea para esquemas de generación stand-alone con cargas desbalanceadas

Este artículo presenta el diseño y simulación de una estrategia de control para un Generador de Inducción Autoexcitado (SEIG) operando en un esquema de generación autónoma (stand-alone). El sistema propuesto se basa en la implementación de un D-STATCOM controlado mediante el algoritmo Unit Template,...

Full description

Autores:
Chaparro Forero, David Esteben
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
Repositorio:
Repositorio UNAB
Idioma:
spa
OAI Identifier:
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Acceso en línea:
http://hdl.handle.net/20.500.12749/29217
Palabra clave:
Mechatronic
Power quality
PI control
Stand-alone systems
Unbalanced loads
Electric controllers
Electrical energy production
Mathematical models
Game theory
Simulation methods
Mecatrónica
Reguladores eléctricos
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Modelos matemáticos
Teoría de los juegos
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description Este artículo presenta el diseño y simulación de una estrategia de control para un Generador de Inducción Autoexcitado (SEIG) operando en un esquema de generación autónoma (stand-alone). El sistema propuesto se basa en la implementación de un D-STATCOM controlado mediante el algoritmo Unit Template, seleccionada por su simplicidad y eficiencia en la generación de señales de referencia para la compensación de corriente. El SEIG es modelado matemáticamente, considerando sus parámetros eléctricos característicos y condiciones de operación bajo cargas balanceadas y desbalanceadas. Para evaluar el desempeño del sistema, se implementa un modelo del D-STATCOM en MATLAB/Simulink, donde se analiza su respuesta bajo diferentes condiciones de carga. Los resultados demuestran que la estrategia de control propuesta mejora significativamente la estabilidad y reduce las corrientes de neutro, optimizando la calidad de la energía entregada. Este estudio confirma la efectividad del enfoque Unit Template en la compensación de corrientes para sistemas de generación autónoma basados en SEIG.
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El sistema propuesto se basa en la implementación de un D-STATCOM controlado mediante el algoritmo Unit Template, seleccionada por su simplicidad y eficiencia en la generación de señales de referencia para la compensación de corriente. El SEIG es modelado matemáticamente, considerando sus parámetros eléctricos característicos y condiciones de operación bajo cargas balanceadas y desbalanceadas. Para evaluar el desempeño del sistema, se implementa un modelo del D-STATCOM en MATLAB/Simulink, donde se analiza su respuesta bajo diferentes condiciones de carga. Los resultados demuestran que la estrategia de control propuesta mejora significativamente la estabilidad y reduce las corrientes de neutro, optimizando la calidad de la energía entregada. Este estudio confirma la efectividad del enfoque Unit Template en la compensación de corrientes para sistemas de generación autónoma basados en SEIG.INTRODUCCIÓN 11 1 OBJETIVOS 12 1.1 OBJETIVO GENERAL 12 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 12 2 ESTADO DEL ARTE 13 2.1 MODELO MATEMÁTICO 13 2.2 ESTRATEGIAS DE CONTROL PARA EL SEIG 15 2.2.1 VARIACIÓN DE LA CAPACITANCIA 15 2.2.2 CARGA ELECTRÓNICA (ELEC) 16 2.2.3 INVERSOR EN PARALELO (D-STATCOM) 17 3 MARCO TEÓRICO 19 3.1 MÁQUINA DE INDUCCIÓN TRIFÁSICA 19 3.1.1 MÁQUINA DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA COMO MOTOR 19 3.1.2 MÁQUINA DE INDUCCIÓN JAULA DE ARDILLA COMO GENERADOR 20 3.1.3 SATURACIÓN MAGNÉTICA 25 3.2 DSTATCOM Y FILTROS ACTIVOS DE POTENCIA 25 3.3 VARIADORES DE FRECUENCIA 27 3.4 NORMA IEEE 519-2014 27 3.5 TRANSFORMADA DE CLARKE Y PARK 27 3.5.1 TRANSFORMADA DE PARK 27 3.5.2 TRANSFORMADA DE CLARKE 28 3.5.3 MODULACIÓN DE ANCHO DE PULSO 29 4 METODOLOGÍA 30 5 DISEÑO DEL BANCO 31 5.1 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO 31 5.1.1 MONTAJE GENERAL 32 5.1.2 MÁQUINA PRIMOTOR 32 5.1.3 SEIG 37 5.1.4 SELECCIÓN DE CAPACITORES DE AUTOEXCITACIÓN 38 5.1.5 CARGA RESISTIVA DEL SISTEMA 39 5.1.6 INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA 40 6 DISEÑO DE ESTRATEGIA DE CONTROL 52 6.1 MODELADOLAMIENTO MATEMÁTICO 52 6.1.1 MODELADO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN COMO MOTOR 52 6.1.2 MODELADO DE LA MÁQUINA DE INDUCCIÓN COMO GENERADOR 58 6.2 PARAMETRIZACIÓN DEL SISTEMA 65 6.2.1 MONTAJE PARA PARAMETRIZACIÓN 65 6.2.2 PARAMETER ESTIMATOR 68 6.3 ESTRATEGIA DE CONTROL DEL SEIG 73 7 DISEÑO DEL D-STATCOM 80 7.1 SELECCIÓN DE COMPONENTES 80 7.2 CÁLCULOS NECESARIOS 80 7.2.1 CAPACITOR BOOTSTRAP IR2110 80 7.2.2 CAPACITOR DE BYPASS IR2110 81 7.3 DISEÑO ESQUEMÁTICO 81 7.4 VALIDACIÓN DEL CIRCUITO PROPUESTO. 83 7.5 DISEÑO DE PCB (PLACA DE CIRCUITO IMPRESO) 86 8 VALIDACIÓN DE LA ESTRATEGIA DE CONTROL 87 8.1 VALIDACIÓN SIMULADA 87 8.2 VALIDACIÓN FÍSICA 94 9 CONCLUSIÓN 98 10 REFERENCIAS. 101 ANEXOS 105 ANEXO 1 SIMULACIÓN JAULA DE ARDILLA ACTUANDO COMO MOTOR. 105 ANEXO 2 CÓDIGO PARA IMPLEMENTACIÓN DE ESPACIO DE ESTADOS DE UN JAULA DE ARDILLA FUNCIONANDO COMO MOTOR. 105 ANEXO 3 SIMULACIÓN JAULA DE ARDILLA ACTUANDO COMO GENERADOR 106 ANEXO 4 CÓDIGO PARA IMPLEMENTACIÓN DE ESPACIO DE ESTADOS DE UN JAULA DE ARDILLA FUNCIONANDO COMO GENERADOR. 107 ANEXO 5 DIAGRAMA ELÉCTRICO DEL BANCO PROPUESTO. 108 ANEXO 6 DIAGRAMA ELECTRÓNICO DEL BANCO PROPUESTO 109 ANEXO 7 SIMULACIÓN REALIZADA PARA CUANTIFICAR EL TIEMPO DE CONVERISIÓN DEL ADC 110 ANEXO 8 CÓDIGO DE ARDUINO UTILIZADO PARA CUANTIFICAR EL TIEMPO DE CONVERSIÓN DEL ADC 110 ANEXO 9 TABLAS PARA CALIBRACIÓN DE SENSORES DE VOLTAJE 111 ANEXO 10 TABLAS PARA CALIBRACIÓN DE SENSORES DE CORRIENTE 112 ANEXO 11 CÓDIGO ESP32 113 ANEXO 12 CÓDIGO SNR MATLAB 118 ANEXO 13 CÓDIGO DE ESTRATEGIA DE CONTROL MATLAB FUNCTION 118 ANEXO 13 CÓDIGO CALCULOS D-STATCOM 120 ANEXO 14 DIAGRAMA ELECTRÓNICO D-STATCOM 121 ANEXO 15 CÓDIGO DE VALIDACIÓN CIRCUITO PROPUESTO DSTATCOM 122 ANEXO 16 CÓDIGO FINAL DEL MICRONTROLADOR 123PregradoThis paper presents the design and simulation of a control strategy for a Self-Excited Induction Generator (SEIG) operating in a stand-alone generation scheme. The proposed system is based on the implementation of a D-STATCOM controlled by the Unit Template algorithm, selected for its simplicity and efficiency in the generation of reference signals for current compensation. The SEIG is mathematically modeled, considering its characteristic electrical parameters and operating conditions under balanced and unbalanced loads. To evaluate the system performance, a model of the D-STATCOM is implemented in MATLAB/Simulink, where its response under different load conditions is analyzed. The results show that the proposed control strategy significantly improves stability and reduces neutral currents, optimizing the quality of the delivered power. This study confirms the effectiveness of the Unit Template approach in current compensation for SEIG-based stand-alone generation systems.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño de un sistema de estabilización del voltaje de línea para esquemas de generación stand-alone con cargas desbalanceadasDesign of a Line Voltage Stabilization System for Stand-Alone Generation Schemes with Unbalanced LoadsIngeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería MecatrónicaIMK-1789info:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicPower qualityPI controlStand-alone systemsUnbalanced loadsElectric controllersElectrical energy productionMathematical modelsGame theorySimulation methodsMecatrónicaReguladores eléctricosProducción de energía eléctricaModelos matemáticosTeoría de los juegosMétodos de simulaciónCalidad de energíaCargas desequilibradasD-STATCOMSEIGSPWMControl PISistemas Stand AloneMecatrónicaJ. A. Barrado, El generador de inducción autoexcitado (Spanish edition) . 2011.T. M. Emmanuel, C.-P. Freddy, and R. A. Juan, “Análisis Dinámico del Generador de Inducción Auto-excitado Dynamic analysis of self-excited induction generator,” 2010.A. Kishore and G. S. Kumar, “A generalized state-space modeling of three phase self-excited induction generator for dynamic characteristics and analysis,” in 2006 1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2006. doi: 10.1109/ICIEA.2006.257297.G. S. Kumar and A. Kishore, “A generalized dynamic modeling and analysis of self-excited induction generator using state-space approach with ANN-Model of magnetizing inductance,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology, 2006, pp. 2698–2703. doi: 10.1109/ICIT.2006.372622.E. D. Bassett and F. M. Porter, “Capacitive excitation for induction generators,” Electrical Engineering, vol. 54, no. 10, pp. 1106–1107, Oct. 1935, doi: 10.1109/EE.1935.6540725.M. A. 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