1 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)1 22 de Julio de 2003 DISTRIBUCIÓN Servicios Técnicos Proyecto UPSAVI UPS CON ALMACÉN DE ENERGÍA EN VOLANTE DE INERCIA

2 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)2 OBJETO DEL PROYECTO UPSAVI Diseño y desarrollo de una alternativa comercial robusta y de bajo coste para la alimentación ininterrumpida de cargas críticas durante perturbaciones en la red eléctrica del tipo hueco de tensión e interrupciones breves.

3 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)3 Marco regulatorio: RD 1955-2000 Calidad de servicio Continuidad del Suministro Interrupciones largas (>3min.) Calidad del producto Interrupciones breves y huecos de tensión Características de la onda de tensión Atención y relación con el cliente Información, asesoramiento, contratación, reclamaciones IBERDROLA ENTREGA A SUS CLIENTES ENERGÍA ELÉCTRICA

4 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)4 Continuidad de suministro  Individual  Tiempo interrupción (horas) y número interrupciones.  Zonal  Se utilizan dos indicadores: TIEPI y NIEPI. TIEPI: Tiempo de Interrupción Equivalente de la Potencia Instalada en MT NIEPI: Número de Interrupciones Equivalente de la Potencia Instalada en MT 10.000 KVA D R 500 KVA 30 minutos 6 horas ¿Como medimos la continuidad de suministro?

5 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)5 Continuidad de suministro CALIDAD DE SUMINISTRO - TIEPI Año 2001Año 2002Año 2003 Enero / Junio 1,08 1,00 1,13 Valor final año 2,45 2,07 - - -

6 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)6 Calidad del producto  Conjunto de características de la onda de tensión. Puede verse afectada principalmente por:  interruciones breves (

7 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)7 Calidad del producto VALORES INDICATIVOS ANUALES (Norma UNE-EN 50.160):  Huecos de tensión: “de algunas decenas a un millar”.  Int. breves: “de algunas decenas a varias centenas”. Frecuencia: 50 Hz ±1% (49’5-50’5 Hz). Variaciones lentas de tensión: ±10% (±7%). Variaciones rápidas de tensión (Flicker): producen parpadeo en la iluminación (severidad Plt  1). Sobretensiones transitorias (impulsos): originadas generalmente por rayos. Desequilibrios:  2%. Armónicos: Distorsión armónica (THD) de la tensión suministrada  8%. Vred Ic Vc Carga Zred Vc = Vred - Zred Ic CARACTERISTICAS DE LA ONDA DE TENSION (2/2)

8 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)8 Calidad del producto La calidad necesaria la define el cliente...  Percepción del cliente del valor de la energía eléctrica en sus equipos.  La experiencia del cliente define la calidad requerida.  El cliente requiere diferentes grados de calidad.... y alcanzarla beneficia a todos. EMPRESAS  Menores costes producción  Mayor productividad FABRICANTES EQUIPOS  Mejora equipos  Satisfacción clientes  Ventaja competitiva EMPRESAS ELÉCTRICAS  Mejor conocimiento sector  Atención a Clientes  Satisfacción  Fidelización ¿CUAL ES LA CALIDAD DE SUMINISTRO NECESARIA?

9 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)9 Calidad del producto  Interrupciones breves (microcortes) y huecos de tensión  paradas de proceso, pérdidas de calidad, pérdidas de productos.  Fluctuaciones de tensión (±7%)  Sobretensiones transitorias: rayos, impulsos, conexión de baterías de condensadores  averías.  Puestas a tierra y cableado defectuosos  averías en tarjetas electrónicas y otros equipos, difíciles de localizar.  Armónicos  calentamientos, disparos intempestivos de protecciones  es un problema que irá a más. ¿CUALES SON LOS PROBLEMAS MAS FRECUENTES DE NUESTROS CLIENTES?

10 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)10 Calidad del producto  En los últimos años, la introducción de la electrónica ha hecho posibles grandes mejoras en la productividad de los procesos.  Pero los equipos electrónicos presentan nuevos requerimientos al suministro eléctrico:  Inyectan perturbaciones a la red.  Son muy sensibles a fenómenos transitorios.  Consecuencias: Paradas de producción y daños en equipos muy sensibles. Los equipos eléctricos pueden ser incapaces de funcionar correctamente con los niveles de perturbaciones existentes en las redes actuales, en especial ante fenómenos transitorios, tales como los huecos de tensión COMPATIBILIDAD EQUIPOS-RED

11 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)11 Calidad del producto  El caso más representativo de los problemas de compatibilidad entre la red y los equipos de clientes es el de los huecos de tensión o caídas momentáneas de la tensión de alimentación.  Se producen como consecuencia de cortocircuitos o picos de consumo en redes de clientes, distribución o transporte.  Estos cortocircuitos pueden ser muy lejanos  un proceso puede verse afectado por un cortocircuito producido a 500 Km en la red de 400 kV. Conseguir un suministro sin huecos de tensión supondría que no se produjera ningún cortocircuito en todo que no se produjera ningún cortocircuito en todo el conjunto de su red de suministro. Es decir, una red perfecta, sin ninguna falta, de miles de Km de longitud. sin ninguna falta, de miles de Km de longitud. EJEMPLO: HUECOS DE TENSION

12 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)12 Calidad del producto DESDE EL LADO DE LA RED: –Se requieren altísimas inversiones para un resultado incierto. –La retribución sólo contempla la calidad reglamentaria. DESDE EL LADO DEL CLIENTE: “INMUNIZAR LOS EQUIPOS O PROCESOS CRÍTICOS” –Ajustes de parámetros y modificaciones menores de control. –Alimentación segura a equipos de control, con potencia limitada. –Alimentación segura a todo el proceso, con equipos de gran potencia. INMUNIDAD 100% SOLUCIONES

13 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)13 Calidad del producto DESDE 1991 HAY UN GRUPO DE ASISTENCIA TÉCNICA HAN ESTUDIADO  1000 CASOS EN SECTORES INDUSTRIALES SE ELABORAN PROPUESTAS DE SOLUCIONES PARTICULARIZADAS DEL TIPO: –Insensibilización de los procesos de los clientes mediante modificaciones en control y mejora de la coordinación de las protecciones. –Instalación de filtros para eliminación de armónicos. –Suministro de equipos de alimentación ininterrumpida SAI, compensadores dinámicos basados en volantes de inercia y grupos electrógenos. –Instalación de supresores de sobretensiones. ACTUACIONES EN IBERDROLA

14 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)14 PROYECTO UPSAVI Diseño y desarrollo de una alternativa comercial robusta y de bajo coste para la alimentación ininterrumpida de cargas críticas durante interrupciones de red de hasta 15 segundos, a base de electrónica de potencia y utilizando como sistema de almacenamiento de energía, un volante de inercia en baja velocidad. 1º producto comercial español de este tipo Estudio teórico y experimental de la viabilidad técnica de diferentes alternativas de compensación OBJETIVO ALCANCE

15 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)15 PROYECTO UPSAVI Empresa dedicada a la distribución de electricidad. IBERDROLA presta especial apoyo a las actividades de investigación, no sólo en el seno de la propia empresa, sino también a través de otras actuaciones para fomentarlas. Fundada hace 60 años, hoy en día Indar, perteneciente al grupo INGETEAM, es el mayor fabricante español de motores eléctricos, generadores y bombas sumergibles.. Empresa dedicada a la Investigación, Desarrollo y Producción de aparatos y equipos electrónicos, y Soluciones Tecnológicas en el campo de la automatización, control de máquinas eléctricas y electrónica de potencia. La actividad principal del centro es la Enseñanza Universitaria, la Investigación y la Formación Continua de nivel universitario. Aparte de su intervención en proyectos de investigación básica/aplicada, es importante su participación en proyectos de innovación de proceso/producto contratados directamente por las empresas. PARTICIPANTES IBERDROLA Distribución Eléctrica, S.A.U. (Lider)INDAR M.E.H. TEAM S.L.MONDRAGON UNIBERTSITATEA

16 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)16 PROYECTO UPSAVI FASE 1 (5 meses): Especificación de requisitos FASE 2 (5 meses): Diseño conceptual FASE 3 (8 meses): Prototipos de 15 KVA FASE 4 (4 meses): Ensayos Análisis de las necesidades de los clientes en función de: Las características habituales del suministro eléctrico. La normativa existente en términos de compatibilidad del equipamiento industrial. Aspectos técnico-económicos que hagan de este producto una alternativa interesante para el usuario. Análisis documental y simulación de las diferentes alternativas que permitan satisfacer las necesidades definidas en la Fase 1. Análisis de los criterios de optimización de las diferentes partes que componen el equipo final. Definición del prototipo experimental para la comprobación del funcionamiento real de los principios estudiados. HITOS DEL PROYECTO 20012002 FASE 1 FASE 2 FASE 3 FASE 4 A través de una metodología de comparación se ha analizado la topología mas adecuada a aplicar en el compensador. Se ha construido una plataforma experimental a modo de prototipo de 15KVA Estudio de alternativas de máquina rotativa (Flywheel) La plataforma experimental desarrollada ha permitido la validación de los algoritmos de compensación y paso a isla diseñados obteniéndose unos resultados satisfactorios.

17 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)17 PROYECTO UPSAVI ZLZL ZTZT ZFZF I CC Hueco de Tensión Interrupción breve A partir de los datos estadísticos de Iberdrola de los años 1997-2000 y de la comparativa con otras compañías eléctricas se encuentra que más del 70% de las interrupciones tienen una duración inferior a 3min. De ellas la mayor parte se encuentran en el entorno de los 0 a los 4s. Bajo las mismas bases de análisis, los huecos de tensión existentes en las redes son de una profundidad inferior al 40% en casi el 80% de los casos. No obstante su número es notablemente superior al de las interrupciones, llegandose a valores por encima de los 300 huecos en un año. Los niveles de armónicos, flicker, variaciones de tensión, sobretensiones transitorias y otros tipos de perturbación en media tensión no son problemas habituales de suministro. ANALISIS ESTADISTICO DEL SUMINISTRO ELECTRICO

18 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)18 PROYECTO UPSAVI Los factores principales que han provocado unas mayores necesidades de calidad de suministro son: Utilización de circuitos electrónicos Automatización mediante PLCs Aumento de las exigencias productivas Incremento en el uso de electrónica de control de motores Estos factores han llevado en algunos casos a la imposibilidad de coexistir estos sistemas con el sistema eléctrico actual. Las perturbaciones más problemáticas son los huecos de tensión y las interrupciones breves. ES NECESARIO UN ITERFACE ENTRE LOS SISTEMAS SENSIBILIDAD DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

19 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)19 PROYECTO UPSAVI El Real decreto 1955/2000 fija las condiciones de continuidad de suministro que todas las compañías deben respetar. Así mismo refleja como términos de calidad los contemplados por la norma UNE-EN 50160. El resto de normas marcan el comportamiento que deben tener los equipos industriales ante distintas perturbaciones que pueden existir en la red de suministro. En base a estas características las prestaciones mínimas del equipo desarrollado serán mantener mantener en régimen no perturbado los requisitos normativos, y durante las perturbaciones no superar los límites de compatibilidad. NORMATIVA IEC 61000-6-1 UNE-EN 50160 IEC 61000-2-4 Real decreto 1955/2000IEC 61000-6-2

20 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)20 Funciones Además de los requisitos eléctricos comentados, el equipo final debe tener características técnico-económicas que lo hagan atractivo al usuario final con respecto a otras alternativas, así: Debe poder funcionar sin sistemas de refrigeración asistida en los entornos industriales habituales. Debe emplear una superficie de suelo limitada. Los requisitos de mantenimiento deben ser lo más bajos posibles. La fiabilidad debe ser extremadamente alta. ASPECTOS TÉCNICO ECONOMICOS PROYECTO UPSAVI

21 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)21 Funciones ASPECTO CONSIDERADO RMS Tensión de salida Variación de frecuencia Autonomía Tiempo de actuación Distorsión armónica Rendimiento Temperatura Un  10%*Un fn  1%*fn 14 s No incrementar No procede >40ºC ESPECIFICACIONES TÉCNICAS TamañoMantenimientoFiabilidad PROYECTO UPSAVI

22 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)22 PROYECTO UPSAVI Principio de funcionamiento compensador paralelo

23 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)23 PROYECTO UPSAVI Topología Metodología de conexión Estrategia de paso a isla

24 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)24 PROYECTO UPSAVI Estado dormido Estado despierto

25 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)25 PROYECTO UPSAVI Unidad de control (1/3) En control del CIB presenta básicamente dos lazos en cascada para el control de la tensión y el acondicionado de la corriente de inyección. Control componente activa:Control componente reactiva:

26 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)26 PROYECTO UPSAVI DESCRIPCION Unidad que desarrolla la lógica de actuación del compensador, interfase hombre-máquina, lógicas de protección, funciones de identificación de señal, registro y control de potencias y control vectorial de la máquina asíncrona Las unidades de medida soportan los algoritmos de identificación de la onda de red, tanto de corriente como de tensión, las lógicas de actuación, y la generación de consignas de aportación de potencia activa o reactiva a cada uno de los puentes inversores. Los métodos que se aplican en el cálculo de componentes armónicas e identificación de huecos están basados en análisis de Fourier, calculo de potencias instantáneas, y sistema de referencia d-q y vectores espaciales. Unidad de control (2/3)

27 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)27 PROYECTO UPSAVI TRABAJO RELIZADO Medida de fase y amplitud: Implementación y experimentación del diseño realizado. Se comprueban sus prestaciones y su robustez ante las perturbaciones de la medida. Compensación continua Comprobación experimental del comportamiento de la estrategia de control ante perturbaciones que no requieran desconexión de la interconexión. Estrategia de paso a isla Comprobación experimental de los algoritmos de control de la interconexión; desconexión, sincronización y conexión. Conclusión y documentación Análisis y documentación de los resultados obtenidos. Unidad de control (3/3)

28 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)28 PROYECTO UPSAVI DESCRIPCION Acoplamiento del compensador a través de inductacia de choque, elemento amortiguador y de limitación de corriente en el caso de cortocircuitos en el lado de red, y será calculada en función de los tiempos de apertura de los interruptores de acometida. Adicionalmente, la función de esta bobina será la de posibilitar la compensación de la caída de tensión durante los huecos de tensión sin necesidad de extraer gran cantidad de energía del volante de inercia. Bobina de choque (1/2)

29 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)29 PROYECTO UPSAVI TRABAJO REALIZADO Comprobación experimental de los criterios de optimización del valor de la inductancia Optimización tecnológica: Estudio de las posibilidades tecnológicas de construcción y optimización de las mismas. Escalado Estudio de los problemas que pueden existir en su escalado a los niveles finales de diseño. Optimización tecnológica (2002): A partir de los criterios de diseño establecidos se ha procedido al dimensionamiento de la bobina de choque para diferentes modos de operación del dispositivo. Se ha planteado una solución para su construcción. Bobina de choque (2/2)

30 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)30 PROYECTO UPSAVI Inversor de 2 niveles Convertidor (1/3) Vinv ikVo t (s)

31 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)31 PROYECTO UPSAVI DESCRIPCION Topología de electrónica de potencia basada en IGBTs. El equipo esta formado por una doble etapa inversora que permita controlar el balance de energía activa y reactiva entre la red eléctrica, la carga que se pretende proteger y una máquina asíncrona de rotor de jaula de ardilla en cuyo eje estará conectado el volante de inercia. Convertidor (2/3)

32 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)32 PROYECTO UPSAVI TRABAJO REALIZADO Implementación y validación del inversor. Evaluación y minimización de las perdidas de conmutación, comprobación de los márgenes de sobrecarga, capacidad real del sistema Filtro de inyección de corriente: Implementación y validación. Evaluación de las características técnicas del mismo, ancho de banda, rizado, robustez, perdidas... Bus de condensadores: Selección y ensayo de los elementos más adaptados para esta función. Batería de condensadores: Análisis de los criterios de selección de la compensación de reactiva necesaria para el correcto funcionamiento del sistema. Protecciones: Análisis de los sistemas de protección de los elementos del inversor. Convertidor (3/3)

33 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)33 PROYECTO UPSAVI DESCRIPCION (1/2) Distintas alternativas de almacenamiento de energia:  bobinas superconductoras,  ultra-condensadores,  mejora de baterías, y  volantes de inercia de alta y baja velocidad Baterías: grandes problemas de mantenimiento, exigen espacios acondicionados, soportan mal descargas y cargas rápidas, tienen una vida limitada, y el coste de sustitución es muy elevado. Bobinas superconductoras y ultra-condensadores aparecen hoy en día como tecnologías no suficiente maduras para su implantación industrial. Almacenamiento de energía (Flywheel (1/3)

34 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)34 PROYECTO UPSAVI DESCRIPCION (2/2) Volantes de inercia, conjuntamente con el desarrollo de la electrónica de potencia, son la alternativa idónea y robusta (con muy bajo mantenimiento) para almacenar cantidades importantes de energía y posibilitar su devolución y recarga de forma rápida. Se pretende obtener un almacenamiento de energía que permita suministrar la potencia activa y reactiva demanda por la carga durante 15 seg. en ausencia total de red. Este tiempo debe ser el suficiente para arrancar y acoplar un grupo de generación auxiliar que permita disponer de una autonomía indefinida. Almacenamiento de energía (Flywheel) (2/3)

35 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)35 PROYECTO UPSAVI TRABAJO REALIZADO La máquina rotativa seleccionada para la impulsión de la inercia es una máquina asíncrona de jaula de ardilla por las siguientes razones:  Robustez de la máquina. El rotor será fabricado con pletina rígida en la jaula, lo que permite alcanzar velocidades más altas sin riesgo de velocidades críticas.  Dimensión mecánica inferior a otro tipo de máquinas.  Se evita el empleo de escobillas, muy importante de cara a disminuir el mantenimiento del sistema.  Permite altos factores de sobrecarga. Se ha modelado y simulado el comportamiento de la flywheel como sistema de almacenamiento de energía. Se han diseñado e implementado los algoritmos de control del volante de inercia en el prototipo de laboratorio donde se ha emulado la flywheel mediante la integración en la plataforma de una accionamiento de TEAM con una masa acoplada. Almacenamiento de energía (Flywheel) (3/3)

36 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)36 PROYECTO UPSAVI TRABAJO REALIZADO Aparamenta: Estudio de los sistemas auxiliares necesarios para la implementación del sistema; by-pass, elementos de corte y control... Protección: Análisis de los sistemas necesarios exigibles para la conexión del mismo a la red de distribución y para la protección de las cargas conectadas. Aparamenta y protección(2002): Se ha evaluado el efecto que produce el dispositivo en la instalación receptora así como la validez de las protecciones que se utilizan habitualmente. Aparamenta y protecciones

37 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)37 PROYECTO UPSAVI Se ha desarrollado un prototipo de compensación de 10KVA en los laboratorios de Mondragón Unibertsitatea sobre el que se han implementado y validado los algoritmos y diseños desarrollados. Se ha incorporado una emulación de la flywheel mediante la integración en la plataforma de un accionamiento de TEAM con una masa acoplada. Fabricación del prototipo

38 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)38 PROYECTO UPSAVI RESULTADOS Figura : Tensiones de red absolutas y en ejes de referencia ortogonales dqo 1. Compensación continua 1/3 Hueco del 30% y una duración de 6 ciclos

39 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)39 PROYECTO UPSAVI RESULTADOS Figura : Tensiones de carga absolutas y en ejes de referencia ortogonales dqo 1. Compensación continua 2/3 Hueco del 30% y una duración de 6 ciclos

40 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)40 PROYECTO UPSAVI RESULTADOS Figura : Corrientes de inyección absolutas y en ejes de referencia ortogonales dqo 1. Compensación continua 3/3 Hueco del 30% y una duración de 6 ciclos

41 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)41 PROYECTO UPSAVI RESULTADOS Figura : Tensiones de red absolutas y en ejes de referencia ortogonales dqo 2. Paso a isla 1/3 Hueco del 30% y una duración de 25 ciclos

42 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)42 PROYECTO UPSAVI RESULTADOS Figura : Tensiones de carga absolutas y en ejes de referencia ortogonales dqo 2. Paso a isla 2/3 Hueco del 30% y una duración de 25 ciclos

43 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)43 PROYECTO UPSAVI RESULTADOS Figura : Corriente de inyección absolutas y en ejes de referencia ortogonales dqo 2. Paso a isla 3/3 Hueco del 30% y una duración de 25 ciclos

44 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)44 En el mercado existen alternativas comerciales de sistemas de suministro de energía segura basados en volantes de inercia, si bien ninguna es de tecnología y fabricación nacionales. La innovación del equipo objeto del presente proyecto radica en la simplificación de los componentes del mismo, reduciendo de esta forma el precio final mejorando las prestaciones respecto a equipos similares. Dispositivo de protección de cargas críticas muy sensibles a los huecos (huecos de duración >10mseg de profundidades superiores a 20%). Grado de protección muy alto. PROYECTO UPSAVI CONCLUSIONES (1/2)

45 Protecciones y Asistencia Técnica (PROAT)45 Validación de algoritmos de compensación y paso a isla mediante plataforma experimental compensación y paso a isla. Sistema capaz de detectar desequilibrios de red y armónicos de la tensión de red. Resincronización progresiva una vez recuperada la calidad de la red. La gestión del sistema y la estrategia de paso a isla ha sido convenientemente desarrollada e implementada habiéndose obtenido unos resultados satisfactorios. La transición se efectúa de manera correcta observándose unas variaciones de la tensión admisibles para una carga de tipo sensible. PROYECTO UPSAVI CONCLUSIONES (2/2)