Control electrónico de una central micro-hidráulica para su aplicación en generación distribuida

Abstract

Producto de los altos precios observados y la falta de disponibilidad, el tema de abastecimiento energético ha cobrado mayor relevancia a nivel mundial. A este hecho se suma la preocupación por los niveles de contaminación atmosférica, lo que ha motivado la investigación y desarrollo de tecnologías relacionadas con energías renovables. En el caso particular de Chile, el potencial energético disponible de los distintos recursos renovables es importante, no observándose un aprovechamiento relevante de ellos. En el ámbito hidráulico, dada la presencia de economías de escala, la tendencia mundial ha sido el desarrollo de grandes instalaciones hidroeléctricas que requieren de construcción de embalses. Esto ha traído como consecuencia la oposición de grupos ambientalistas y habitantes de zonas que históricamente les han pertenecido. Por otra parte, desde hace décadas existen soluciones hidroeléctricas de menor escala, que no impactan al ambiente de la misma manera que las grandes centrales. Este es el caso de las centrales mini y micro-hidráulicas, muchas veces concebidas como centrales de pasada, que no requieren de zonas de inundación y permiten no impactar de manera significativa la ecología del entorno de la central. En el contexto descrito, el objetivo general de este trabajo de título es el diseño y construcción de un prototipo del controlador electrónico para una central micro-hidráulica, en el marco de su uso como generación distribuida. Esto último implica la posibilidad de la central de sincronizarse y conectarse a la red de suministro eléctrico, para inyectar su potencia en el sistema de distribución, a diferencia de los desarrollos usuales en centrales de esta índole, que sólo consideran electrificación aislada. Este trabajo es parte de un proyecto conjunto entre los departamentos de Ing. Mecánica e Ing. Eléctrica, junto con una empresa del rubro hidráulico. Se desarrolla en este trabajo el estado del arte en tecnologías de generación micro-hidráulica, con un foco en sus componentes eléctricos, lo que incluye los generadores y tipos de controladores actualmente utilizados. A partir de este análisis, en el contexto de generación distribuida, se propone un esquema de conexión a la red, que permite alimentar cargas locales en 3 diferentes modos de operación, sin necesidad de la presencia permanente de un operario. El controlador incluye los dispositivos de medición y accionamiento que permiten mantener las condiciones de tensión, frecuencia, potencia activa y reactiva deseadas de forma automática. Se estudia en detalle el proceso de sincronización a la red y se explica el desarrollo del dispositivo sincronizador. Se realiza el diseño y construcción de las protecciones del generador, necesarias para permitir un funcionamiento seguro y confiable del sistema completo. Se aborda en profundidad la implementación del controlador electrónico en todas sus partes, apoyado con anexos que describen cada uno se sus componentes. Se obtienen resultados con montaje experimental del sistema en dos condiciones de operación. En el laboratorio eléctrico, mediante un conjunto motor-generador, se realiza el desarrollo y validación del controlador, obteniendo resultados satisfactorios en cuanto al controlador, pero inaceptables desde la perspectiva de calidad de suministro, con variaciones de tensión de más del 10\%. En el montaje en laboratorio mecánico, en forma acoplada con una turbina Pelton, se obtienen resultados de buena calidad del desempeño del controlador electrónico, permitiendo validar el esquema de conexión a la red y el funcionamiento de las protecciones y el sincronizador, realizando diversas conexiones e inyectando alrededor de 6 [kW] a la red. Se concluye que el desarrollo del controlador electrónico para la central ha sido satisfactorio. El prototipo fabricado puede ser fácilmente escalable a otras centrales de similares características. Se propone a futuro mejorar el control en cuanto a la topología electrónica y mejoramiento de cada uno de los bloques involucrados en el controlador, además de la posibilidad de coordinar varias unidades de generación distribuida en un esquema de micro-red.