Revista Técnica energía

Fuzzy PI Control Strategy to Doubly Fed Induction Wind Turbine for Power Maximization in Presence of Disturbances

Resumen: Esta investigación propone una metodología de control aplicada a una técnica en Sistemas de Generación de Energía Eólica (WEGS) para el Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) basada en un observador Fuzzy y complementada con un controlador PI mediante el método de Control Directo de Velocidad (DSC). Este enfoque permite controlar la corriente de referencia del lado del rotor a través de las variaciones de par y potencia eléctrica en un modelo de Generador de Inducción Doblemente Alimentado (DFIG). En consecuencia, la velocidad del generador se controla para obtener una respuesta rápida del máximo Coeficiente de Potencia (). La construcción de esta estrategia comienza con mediciones directas de las variables eléctricas y mecánicas utilizando herramientas computacionales como FAST y Matlab-Simulink para las simulaciones del modelo del aerogenerador. Esta estrategia DSC presenta un rápido desempeño en el seguimiento del considerando la dinámica de un aerogenerador de 1,5MW; esta estrategia ha sido comparada con un controlador PI tradicional mejorando la extracción de la potencia de salida.

Abstract: This research proposes a control methodology applied to a Wind Power Generation Systems (WEGS) for Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique based on a Fuzzy observer and complemented by a PI controller using the Direct Speed Control (DSC) method. This approach permits commanding the rotor side reference current through the variations of torque and electrical power in a Doubly Fed Induction Generator (DFIG) model. Consequently, the speed of the generator is controlled in order to obtain a rapid response of the maximum Power Coefficient (). The construction of this strategy starts with direct measurements of the electrical and mechanical variables using computational tools such as FAST and Matlab-Simulink for the wind turbine model simulations. This DSC strategy presents a rapid performance of the tracking considering the dynamics of a 1.5MW wind turbine and this strategy has been compared to a traditional PI controller improving the extraction of the output power.

Direct Speed Control of a 9 MW DFIG Wind Turbine

Resumen: El siguiente artículo muestra la descripción, implementación y validación de una estrategia de control para el seguimiento del punto máximo de potencia (MPPT) de un aerogenerador de inducción doblemente alimentado (DFIG). Esta estrategia se desarrolla conforme la teoría del control de velocidad indirecto (ISC) y la teoría de observadores de estado tomando como variable de ingreso la velocidad angular de la hélice. Este mecanismo de control permite realizar el seguimiento del MPPT, llevando así el Coeficiente de Potencia (Cp) a su valor optimo durante la operación del aerogenerador. El controlador, entre sus características principales, está configurado para trabajar con la incorporación de estímulos aleatorios de viento lo cual permite anticipar su respuesta a una perturbación. Para los experimentos se seleccionó un aerogenerador de 1,5 MW, este modelo se implementó por medio de Matlab y el software Fatiga, Aerodinámica, Estructuras y Turbulencia FAST.

Abstract: In the present work, a control strategy for Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a wind turbine based on a Doubly Fed Induction Generator (DFIG) is described. This strategy is developed according to the theory of Di-rect Speed Control (DSC) which includes a state observer. This strategy con-siders the Low Shaft Speed (LSS) as an input and the Iqr reference current as the output. This control mechanism allows monitoring the MPPT; thus, changing the Power coefficient (Cp) to its optimal value during the operation of the wind turbine. The controller, among its main features, is configured to work with the incorporation of different wind inputs; fact that permits evaluating the system response to disturbances and variations. For simulations tests, a 1,5 MW wind turbine has been modeled in Matlab and Fatigue, Aero-dynamics, and Structures and Turbulence FAST software. The strategy has been compared to a PI MPPT controller and has demonstrated improvements in terms of speed and output power extraction.

Performance of the Primary Distribution System due to interruptions

Resumen: La frecuencia y duración de las interrupciones es uno de los temas con mayor importancia entre las empresas distribuidoras en la actualidad, cuyos estudios permiten garantizar el rendimiento del Sistema de Distribución ante fallas aleatorias. En base a este enfoque, se desarrolla el siguiente artículo, mediante el cual se evalúa el rendimiento del Sistema Primario de Distribución (SPD ) ante fallas aleatorias que se presentan en las redes tomando como base una metodología contenida entre el desarrollo de un modelo de confiabilidad enmarcado en la relación de la curva de riesgo (curva de la bañera) y la Probabilidad de Poisson para variables aleatorias discretas, con relación a una planificación a corto plazo (1 año), en adición, se evalúa el tiempo probable de falla del Sistema Primario de Distribución mediante el Método de Monte Carlo. Con lo cual se puede observar que las descargas atmosféricas y efectos ambientales son el principal problema.

Abstract: The frequency and duration of outages are one of the most critical issues among distribution companies today, whose studies allow guaranteeing the performance of the Distribution System in the event of random failures. Based on this approach, this article is developed, through which the performance of the Primary Distribution System (PDS) is evaluated in the event of random failures that occur in the networks, taking as a basis a methodology contained between the development of a reliability model framed in the relationship of the bathtub curve and the Poisson Probability for discrete random variables, concerning short-term planning (1 year); also, the probable time of failure of the Primary Distribution System is evaluated using the Monte Carlo Method. Therefore, it can be seen that atmospheric discharges and environmental effects are the main problems.

Development of a Computer Application for the Calibration and Coordination of the 50/51 Overcurrent Relay

Resumen: En el presente trabajo se realizó el desarrollo de una aplicación informática para la coordinación y calibración de los relevadores de sobrecorriente 50/51 para sistemas radiales, mediante esta aplicación se llegó a observar las gráficas de las curvas de los relevadores modificando las variables de entrada como son Corriente del Tap (51) y Corriente del Instantáneo (50), TCs, Tipos de Curvas y su Dial para cada una de ellas, con el fin de calibrar y coordinar las protecciones entre curvas mediante el tiempo de actuación entre los Relevadores, en el programa Coordinación de Protección de sobrecorriente eléctrica (CPSElectric) desarrollado mediante la herramienta de programación Matlab r2019a, que se usó una de las aplicaciones incorporadas de esta plataforma como es la App Designer siendo está una de las nuevas opciones de programación en Matlab r2019a que permite reducir el tiempo de desarrollo de interfaces y la facilidad del diseño de las Aplicaciones para lo cual nos permite que el programa sea más interactivo a la hora de su uso ya que está enfocado para formar parte de laboratorio de protecciones eléctricas de la Universidad Técnica de Cotopaxi mejorando el aprendizaje de los estudiantes a la hora de debatir sobre las protección de sobrecorriente 50/51, permitiendo obtener la visualización de resultados como son los tiempos de operación de las corrientes del Instantáneo (50) y su tiempo de margen de operación entre curvas de forma gráfica para garantizar los resultados se basó a diferentes normas estandarizadas como son la IEEE Std C37.112-2018 “Estándar para ecuaciones de características de tiempo inverso para relés de sobrecorriente” y la IEC 60255-3 “Relés de medidas y equipos de protección.”

Abstract: In the present work, it was developed a computer application for the coordination and calibration of the 50/51 over-current relays for radial systems. Through this application the graphs of the relays curves were observed modifying the input variables such as Tap Current (51) and Instantaneous Current (50), TCs, Types of Curves and their Dial for each one of them, in order to calibrate and coordinate the protections between curves by means of the time of action between the Relays in the program Coordination of Protection of electrical overcurrent (CPSElectric) developed by means of the programming tool Matlab r2019a, one of the applications incorporated in this platform, the App Designer, is being used this is one of the new programming options in Matlab r2019a that allows us to reduce the time of interface development and the ease of application design, for which we can make the program more interactive at the time of its use since it is focused to be part of the electrical protection laboratory of the Technical University of Cotopaxi improving the students' learning when discussing the 50/51 over current protection, allowing to obtain the visualization of results such as the operation times of the instantaneous currents (50) and their operation margin time between curves in a graphic way to guarantee the results was based on different standardized norms such as IEEE Std C37. 112-2018 "Standard for inverse time characteristic equations for overcurrent relays" and IEC 60255-3 "Measurement and protection equipment relays.

Transmission Corridor Stability Margin Prediction Applying Data Mining Criteria and Machine Learning Algorithms

Resumen: La Estabilidad de Voltaje se refiere a la habilidad del sistema de mantener voltajes aceptables en todas las barras, considerando condiciones normales de operación y posterior a ser sometido a una perturbación. El presente trabajo predice los parámetros críticos del sistema basados en la Curva P-V determinada mediante el cálculo del Equivalente de Thévenin en un corredor de transmisión. Se obtiene un conjunto de datos (dataset) mediante simulaciones de Montecarlo efectuadas en el sistema de prueba de 39 barras en PowerFactory, controlado mediante Python. Dada una condición operativa se efectúan N simulaciones que permiten establecer distintas condiciones operativas del sistema ante variaciones de los valores de cada una de las cargas del sistema. A partir del dataset, se aplica Minería de Datos para entrenar modelos de regresión basados en redes neuronales artificiales y máquinas de soporte vectorial que predicen la condición de máxima transferencia de potencia. Posteriormente, el MSE (Mean-squared error) es usado para analizar el desempeño de los modelos de regresión. La metodología propuesta puede ser aplicada en centros de control para predecir el punto de máxima transferencia de potencia de un corredor de transmisión congestionado. Esta predicción brinda señales de alerta temprana en la operación, así como permite estructurar criterios de despacho con restricciones de seguridad en la planificación.

Abstract: Voltage Stability refers to the ability of the system to maintain acceptable voltages in all busbars, considering normal operating conditions and after being subjected to a disturbance. The present work predicts the critical parameters of the system based on the P-V Curve determined by the Thévenin's Equivalent in a transmission corridor. A dataset is obtained via Monte Carlo simulations performed on the 39-bus test system model in PowerFactory controlled by Python. Given an operating condition, N simulations are performed to establish different system operating conditions under variations in the values of each of the system loads. From the obtained dataset, Data Mining is applied to train regression models based on artificial neural networks and support vector machines to predict the maximum power transfer condition. Afterwards, the MSE (Mean-squared error) is used to analyze the performance of the regression models. The proposed methodology can be applied in control centers to predict the maximum transfer power point of a congested transmission corridor. This prediction offers early warning signs in operations and might allow structuring criteria for security constrained dispatch in planning.

Determination of oscillatory modes in the SADI from the analysis of PMU measurements of ambient data in Low Voltage

Resumen: Este trabajo presenta el análisis de correlación canónica (CCA) y de Yule Walker (YW) de las mediciones de las PMU (Phasor Measurement Unit) registradas en el marco del Proyecto MedFasee BT Argentina, que observa la dinámica del Sistema Argentino de Interconexión (SADI). Los métodos de CCA y YW se utilizan para determinar los modos oscilatorios de baja frecuencia con bajo amortiguamiento presentes en las señales de tensión y de frecuencia. Estos modos se caracterizan por su frecuencia, amortiguamiento y pseudoenergía. Los métodos CCA y YW se aplican a las mediciones de datos de tipo ambiente de las PMU. Este estudio además de permitir la detección de los modos con bajo amortiguamiento, permitido determinar diferentes parámetros de los métodos como señal a analizar, lo cual es un requisito para el preprocesamiento, así como la definición de la ventana de análisis, periodo de muestreo y orden del sistema.

Abstract: This paper presents the canonical correlation analysis (CCA) and Yule Walker (YW) analysis of PMU (Phasor Measurement Unit) measurements recorded in the framework of the MedFasee BT Argentina Project that observes the dynamics of the Sistema Argentino de Interconexión (SADI). The CCA and YW method are used to determine the low frequency oscillatory modes with low damping present in the voltage and frequency signals. These modes are characterized by their frequency, damping and pseudo-energy. The CCA and YW method is applied to ambient type data measurements of PMU´s. This study, besides allowing the detection of low damping modes, allowed to determinate different parameters of the methods as signal to be analyzed, which is a requirement for the preprocessing, as well as the definition of the analysis window, sampling period and system order.

Mathematical Modeling of Speed Control System of Generation Units from Coca Codo Sinclair Hydroelectric Power Plant

Resumen: En el presente estudio, se desarrolló un proceso de modelación y validación de parámetros del sistema de control de velocidad, regulador y turbina, de las unidades de generación de la central hidroeléctrica Coca Codo Sinclair. Para este propósito, se utiliza la potencialidad del software DIgSILENT PowerFactory para implementar los bloques de funciones de transferencia. Posteriormente, el modelo se valida a través de la identificación paramétrica utilizando el algoritmo heurístico de optimización mapeo de media-varianza MVMO, sobre la base de registros obtenidos a través de unidades de medición fasorial (PMU) de un evento en tiempo real que ocurrió en el Sistema Nacional Interconectado (SNI). Para desarrollar el modelo en este estudio, se analizaron tres tipos de turbina Pelton y modelos de regulador de velocidad con diferente complejidad. La disponibilidad de un modelo validado y probado del sistema de control de velocidad de generadores garantizará simulaciones suficientemente precisas que representen con minuciosidad el comportamiento real de la central hidroeléctrica, lo cual es una premisa importante para la toma de decisiones adecuadas en relación con las acciones de control y técnico económicas.

Abstract: In the present study, a process for modeling and validation of parameters of the speed control system, governor and turbine, from the generation units of Coca Codo Sinclair hydroelectric power plant was developed. For this purpose, the potentiality of DIgSILENT PowerFactory software is used to implement the transfer function blocks. Subsequently, the model is validated through parameter identification using the heuristic algorithm mean-variance mapping optimization (MVMO), based on records obtained through phasor measurement units (PMU) of a real-time event that occurred in the National Interconnected System (SNI). To develop the model in this study, three types of Pelton turbine and speed regulator models with different complexity were analyzed. The availability of a validated and tested model of the generator speed control system will guarantee sufficiently precise simulations that accurately represent the real behavior of the hydroelectric power plant, which is an important premise for making adequate decisions in relation to control and technical economic actions.

Data Mining and Short-Term Projection of Power Demand in the Ecuadorian Electric System

Resumen: En este artículo se presenta una herramienta computacional elaborada en lenguaje de programación Python para minería de datos y proyección a corto plazo de la demanda de potencia eléctrica del Sistema Nacional Interconectado (SNI), utilizando el enfoque predictivo del algoritmo de aprendizaje automático Random Forest. La implementación de la función Hyperopt para definir los principales hiperparámetros del algoritmo Random Forest junto con la aplicación de la ingeniería de características permiten ajustar un modelo adecuado de aprendizaje automático para las series de datos. Dicho algoritmo es implementado en tareas de mitigación de valores faltantes y valores atípicos para estructurar bases de datos completos y libres de desviaciones. El procedimiento para minería de datos y proyección de demanda muestra la confiabilidad y versatilidad de utilizar la herramienta computacional obteniendo resultados relevantes, como la disminución de anomalías en las series de datos para mejorar la precisión en las curvas de demanda eléctrica proyectadas.

Abstract: This article presents a computational tool developed in the Python programming language for data mining and short-term projection of the electrical power demand of the National Interconnected System (SNI), using the predictive approach of the Random Forest machine learning algorithm. The implementation of the Hyperopt function to define the main hyperparameters of the Random Forest algorithm together with the application of feature engineering allows to fit a suitable machine learning model for the data series. This algorithm is implemented in tasks to mitigate missing values and outliers to structure complete databases free of deviations. The procedure for data mining and demand projection shows the reliability and versatility of using the computational tool, obtaining relevant results, such as the reduction of anomalies in the data series to improve the precision in the projected electrical demand curves.

Technical and Economic Analysis for the Net Metering Implementation for several types of electricity customers in Ecuador.

Resumen: En el presente artículo se realiza un análisis técnico y económico de la implementación de micro centrales fotovoltaica de autoabastecimiento (µCFV) para varios tipos y tamaños de consumidores finales de energía eléctrica (CF) del Ecuador. En este contexto y considerando el marco normativo ecuatoriano, se analizan aspectos técnicos y económicos de este tipo de proyectos de generación con la finalidad de plantear posibilidades de mejora que puedan beneficiar tanto a las empresas distribuidoras (ED) como a los consumidores finales. La categorización de clientes residenciales, comerciales e industriales se realiza en las principales empresas distribuidoras del país mediante una técnica “Clustering” en la que se vinculan análisis técnicos y económicos, esto con el objetivo de establecer los tipos de CF para los que se realiza el análisis técnico financiero de factibilidad de implementación de micro centrales fotovoltaicas. El dimensionamiento de las micro centrales fotovoltaicas, para cada cliente tipo, se realiza con la asistencia del software de simulación PVSyst, analizándose en cada caso los aportes energéticos. Finalmente, se realiza un análisis económico a partir de indicadores como el LCOE, Paridad de Red, la Tasa Interna de Retorno (TIR) y el Tiempo Estimado de Recuperación de la Inversión (TERI), determinándose la viabilidad de cada uno de los proyectos.

Abstract: This article performs technical and economic analysis of the implementation of photovoltaic self-supply micro-factories (µCFV) for different types and sizes of end-users of electrical energy (EU) in Ecuador. In this context and considering the Ecuadorian regulatory framework, technical and economic aspects of this type of generation projects are analyzed to propose improvement possibilities that can benefit both distribution companies (ED) and final consumers. The categorization of residential, commercial, and industrial customers is carried out in the main distribution companies of the country using a "Clustering" technique in which technical and economic analyses are linked, this to establish the types of EU for which the financial technical analysis of the feasibility of implementation of photovoltaic micro plants is carried out. The dimensioning of micro photovoltaic plants, for each typical customer, is carried out with the help of simulation software PVSyst, by analyzing the energy inputs in each case. Finally, an economic analysis is carried out based on indicators such as the LCOE, Network Parity, the Internal Rate of Return (IRR), and the Estimated Time of Recovery of the Investment (TERI), determining the viability of each of the projects.

Medium-Term Hydrothermal Dispatch applied to Paute Integral Hydropower Complex

Resumen: En Ecuador, la energía hidroeléctrica excede el 90% de la energía eléctrica y el Complejo Hidroeléctrico Paute Integral es el más importante en generación eléctrica. Dadas las características de la infraestructura de este complejo, el despacho hidrotérmico de mediano plazo (MTHD, por sus siglas in inglés) es de gran importancia, ya que permitiría establecer reglas operativas que sin duda impactarían en el costo total de generación del sistema eléctrico del país. Es por esto que se presenta dos estudios de MTHD: el primero de tipo probabilístico con variables estocásticas para los caudales afluentes a las represas del complejo y para la carga a ser atendida. Este estudio se lo compara con un segundo modelo propuesto por el autor, el cual se basa en encontrar niveles óptimos diarios para cada represa bajo análisis realizando una simulación diaria del sistema. Al realizar la comparación de los dos modelos, en términos de reglas operativas son altamente coincidentes; sin embargo, en términos de energía producida por el Complejo Paute Integral, el segundo modelo, con mayor nivel de detalle, y mediante una efectiva coordinación de la operación entre centrales hidroeléctricas en cascada, logra aprovechar mejor el recurso hídrico y en consecuencia una mayor producción del complejo.

Abstract: In Ecuador, hydropower exceeds 90% of electrical energy and the Paute Integral Hydroelectric Complex is the most important in electricity generation. Given the characteristics of the infrastructure of this complex, the Medium-Term Hydrothermal Dispatch (MTHD) is of utmost importance, since it would allow establishing operational rules that would undoubtedly affect the total cost of generation of the country's electricity system. This is why two MTHD studies are presented: the first study is probabilistic with stochastic variables for the inflows to the complex's dams and for the load to be served. This study is compared with a second model proposed by the author, which is based on finding daily optimal levels for each dam under analysis by performing a daily simulation of the system. When comparing the two models, in terms of operational rules they are entirely coincident; however, in terms of energy produced by Paute Integral Complex, the second model, with a higher level of detail, and through effective coordination of the operation between hydropower plants in cascade, manages to make better use of the water resource and consequently a higher production of the complex.