Por: Ramon Alfredo Montas Alfaro

El Sistema de Sincronización y Despacho (SSD) que se desea desarrollar busca aprovechar el Sistema de Control (SC) que traen de fábrica los generadores que típicamente se encuentran en aplicaciones que utilizan como energía primaria el biogás. Este SC contiene todas las funciones necesarias para la buena operación del motor de combustión y generador eléctrico, recibe las señales de mando del usuario y despliega en una pantalla las magnitudes de algunas de las variables monitoreadas más importantes. El SC está diseñado para “operación en isla”, esto implica que hará todo lo posible por mantener la frecuencia y la tensión en el valor nominal, esto es 60 Hz y 110 V, respectivamente. La función que deberá implementar el SSD consiste en intervenir las señales realimentadas al SC y sustituirlas por otras que provoquen una acción de control en la dirección deseada.

Desarrollar un sistema de sincronización y despacho simulado para generadores distribuidos alimentados con biogás.

• Implementar los modelos matemáticos del generador y sus controles, así como del sistema de potencia al que se desea sincronizar.
• Desarrollar una interface que reciba las señales analógicas medidas en campo y las convierta en información útil para el programa; que, por otro lado, genere las señales analógicas que se inyectarán al SC, a partir de las salidas del programa; y que finalmente provea al SSD de un panel de visualización y mando para el usuario.
• Programar un algoritmo que realice la sincronización del generador con el sistema de potencia cuando así lo requiera el usuario.
• Programar un algoritmo que realice el despacho del generador una vez haya sido sincronizado al sistema de potencia.

• Modelo del generador:

Se utilizó el modelo en variables de estado de orden 2 y fue necesario implementar una máquina de estados para las transiciones entre: APAGADO, ESPERA, EN ISLA y EN LINEA. Las condiciones iniciales de un estado se obtienen del estado anterior.

  
      # Matrices del sistema EN ISLA
      A = [[-self.KD/(2*self.H), 0.], [1., 0.]]
      B = [[1.0/(2*self.H), 0.], [0., 0.]]
      C = [[1., 0.],[0., self.c0]]
      D = [[0., 0.],[0., 0.]]
      self.maquinaEnIsla = ss(A, B, C, D);
      
      # Matrices del sistema EN LINEA
      A = [[-self.KD/(2*self.H), 0.], [1., 0.]]
      B = [[1.0/(2*self.H), -1.0/(2*self.H)], [0., 0.]]
      C = [[1., 0.],[0., self.c0]]
      D = [[0., 0.],[0., 0.]]
      self.maquinaEnLinea = ss(A, B, C, D);

El modelo en variables de estado se implementó por medio de la librería ControlSystem, disponible gratuitamente para Python.

• GUI:

Por medio de la libreria PyQt4 y la herramienta QtDesigner, se elaboró una interfaz gráfica que pudiera mostrar el estado del sistema, proceso de sincronización y que permitiera tener control sobre el generador que se desea sincronizar.

Los principales objetos que permitieron la ejecución de la interfaz fueron: QGraphicsView (para la implementación del sincronoscopio) y QTimeLine (para el refrescamiento de graficos y lectura de puertos con las variables de entrada desde el modelo del generador. Los graficos se realizaron por medio de la librería Matplotlib.

• YARP:

Permitió toda la comunicación entre el programa que ejecuta el modelo del generador y la interface. Consituye una excelente herramienta para la interconexión de programas que se ejecutan en paralelo en el procesador. Se definieron tres grandes grupos de puertos (/generador/, /sincronoscopio/, /interface/) para el envío y recepción de las señales.

• Funcionamiento del sistema:

Con la indicación de ARRANQUE, se verifican las condiciones VentiladoresOk y CargaDesconectadaOk antes de enviar la señal de Ignición y esperar a la confirmación de la operación EN ISLA.

Para la sincronización, se verifica que el ángulo de desfase entre el generador y la red sea menor a 20°, que la tensión sea menor al 2% y que la diferencia entre las frecuencias sea menor a 0.1 Hz.

Una graficación detallada de la frecuencia, ángulo de desfase y tensión se muestra a continuación:

Una vez que se sincroniza el generador, puede cambiarse el despacho de potencia y ajustar el factor de potencia.

Cuando el generador se sincroniza incumpliendo con algunas de las condiciones, la dinamica del generador también queda modelada:

• Elementos por mejorar:

Es necesario implementar una interface entre el modelo del generador y el SSD que permita analizar las señales de voltaje de la red y el generador, y de corriente del generador a una velocidad tal que permita la ejecución en tiempo real. La opción más efectiva encontrada fue la paralelización del análisis de las señales y la interconexión de estos hilos de proceso mediante YARP.