Instrumentación y automatización de una mini smart grid con fuentes de energías renovables

Abstract

Como parte de la extensión y desarrollo continuo del Laboratorio de Energías Renovables (LER) del Departamento de Ingeniería Mecánica, ubicada en la Sede José Miguel Carrera (JMC) de la USM, se ha solicitado el desarrollo de la instrumentación y automatización de una mini red eléctrica inteligente o Smart Grid a partir de ciertos componentes o sistemas ya presentes en el LER, en lo que se destaca el Sistema de Ensayos de Turbinas Eólicas (SETE) para la generación de potencia a partir de un aerogenerador. El sistema automatizado y monitoreado tendrá un uso académico para la enseñanza, análisis y aplicación de fuentes de energías renovables. En esta memoria, se integra un panel solar fotovoltaico, un aerogenerador y una fuente de respaldo AC (motor – generador) a un inversor híbrido disponible en el LER. Dado que el inversor híbrido solo tiene capacidad para una fuente de energía continua y una fuente de energía alterna, se diseña la integración de dos fuentes de energía continua y una fuente de energía alterna, extendiendo la capacidad del inversor híbrido. Una vez diseñada la arquitectura del inversor híbrido extendido, se configura una Smart Grid basada en un controlador lógico programable (PLC) y en un microcontrolador Arduino Leonardo, para automatizar el ensayo de un aerogenerador de 120[W] ante diferentes condiciones de viento, la gestión de potencia de un panel solar de 100[W] ante diferentes condiciones de radiación solar y para automatizar la selección de la fuente de energía que permita un suministro continuo de potencia a la carga ante la caída de una o más fuentes de energía renovables, y/o ante variaciones en el consumo de potencia, a partir de una estimación del estado de carga (SoC) de la batería de enlace DC del inversor híbrido y del balance de potencia generada y consumida. También se desarrolla una interfaz basada en un sistema SCADA-HMI, que permite operar el sistema en modo manual y automático, además de visualizar la evolución de las variables de interés y almacenar datos históricos para análisis posteriores. Para la obtención de resultados, el grupo motor – generador (MCI) se simula mediante una conexión a la red eléctrica, la generación de viento se obtiene con un variador de frecuencia y un ventilador radial de 5[kW] que impulsan un aerogenerador de 120[W], equipos que forman parte del Sistema de Ensayos de Turbinas Eólicas (SETE), y la generación fotovoltaica es realizado por un panel fotovoltaico de 100[W]. La batería de enlace DC del inversor híbrido es del tipo de ciclo profundo de 12[V] – 100[Ah], y la carga de consumo de potencia consiste en un banco de 3 ampolletas DC de 50[W] y 3 ampolletas AC de 40[W]. Los resultados obtenidos validan el diseño de la Smart Grid para su uso experimental en el LER en condiciones reales con un aerogenerador de hasta 400[W], un panel fotovoltaico de hasta 100[W] y cargas de hasta 500[W].