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Jun 29, 2023

Bloques de construcción inteligentes para una red eléctrica más confiable

Ed Brown Dr. Radha Krishna Moorthy: El componente fundamental es lo que llamamos SUPER, que significa regulador electrónico de potencia universal inteligente. Puede considerarlo como un sistema CC/CC.

Ed Brown

Dr. Radha Krishna Moorthy: El componente fundamental es lo que llamamos SUPER, que significa regulador electrónico de potencia universal inteligente. Puede considerarlo como un sistema CC/CC (un inversor) o una etapa CC/CC acoplada a una etapa CC/CA. El bloque puede tomar cualquier forma dependiendo del tipo de conversión de energía que utilice. Los SUPER, a su vez, tienen sus propios subcomponentes fundamentales. Por ejemplo, las etapas de potencia que componen SUPER se denominan IPS (etapas de potencia inteligentes).

Krishna Moorthy: La función básica de SUPER es la conversión de energía, digamos de CA a CC o de CC a CC. SUPER lo hace de manera más proactiva y alberga una variedad de características especiales, desde inteligencia integrada y toma de decisiones hasta monitoreo de salud en línea, capacidad de operación autónoma y seguridad ciberfísica.

Si piensa en un convertidor electrónico de potencia normal y lee informes de instaladores de paneles solares o personal de servicios públicos, los mayores puntos potenciales de falla son los condensadores y los dispositivos semiconductores de potencia. Por lo tanto, sería realmente útil si se pudiera agregar una capa adicional de monitoreo para obtener más datos sobre los capacitores o más datos sobre los dispositivos semiconductores. Puede ayudarle a analizar la salud del sistema.

Krishna Moorthy: Medimos el voltaje en estado de encendido del dispositivo semiconductor. Y tenemos disposiciones para medir directamente la fuente de drenaje. Entonces, usando estos dos, puedo calcular la resistencia en estado encendido, lo que podría ayudarme a predecir el mecanismo de falla relacionado con los módulos semiconductores. Y además de eso, hay datos como la temperatura de la placa base, la temperatura de la unión de los dispositivos, estimaciones de capacitancia, etc. Podemos acumular estos datos en una capa superior para brindarnos información sobre el estado del sistema.

Krishna Moorthy: Una forma de juzgar el estado del condensador es medir la corriente de rizado para ver cómo está cambiando. La otra forma es calcular continuamente la capacitancia del sistema. Por ejemplo, si el sistema entra en modo de espera, puede realizar un cálculo simple basado en la constante de tiempo RC para determinar la capacitancia del sistema a lo largo del tiempo. Entonces, si algo ha fallado o alguna capacidad se ha degradado, o está avanzando hacia la degradación, lo sabrán con anticipación.

Krishna Moorthy:En los que demostramos, estábamos hablando de un sistema de 75 KVA a 480 voltios CA, pero se pueden escalar para mayor potencia y voltajes más altos.

Krishna Moorthy: El inversor básico es el SUPER. Puede estar formado por sus propias etapas de potencia fundamentales, con más subcomponentes encima. El IPS es uno de los subcomponentes del super. Es básicamente una etapa de potencia holística con entrada, salida, contactores laterales, los dispositivos semiconductores, los controladores de puerta asociados, los pasivos más pequeños, los pasivos asociados que necesitan y las entidades de detección avanzadas que contiene. Por lo tanto, los IPS pueden realizar ciertas funciones de control, pero pueden coordinarse para actuar como un inversor desde arriba utilizando el marco SUPER.

Para decirlo en los términos más simples: si, por ejemplo, quiero construir un inversor de 250 kilovatios, tendrá, digamos, cinco IPS, cada uno de los cuales tiene una potencia nominal de 50 kilovatios, así como otros subcomponentes que incluyen elementos pasivos, energía auxiliar circuitos, etc. Estos a su vez trabajarán juntos para entregar los 250 kilovatios.

Nuestra filosofía rectora es que si falla un IPS, aún podré operar los demás en lugar de fallar todo el sistema, aunque la potencia de salida total se reducirá.

Krishna Moorthy:Los IPS solo realizan la generación de modulación de ancho de pulso (PWM). El SUPER los coordina y regula sus salidas y entradas y proporciona otras funciones necesarias.

Krishna Moorthy: Uno de los aspectos que estábamos analizando era la estandarización de mecanismos y subcomponentes. Cuando se hace esto, se abren oportunidades para que los proveedores proporcionen subcomponentes, en lugar de construir el convertidor completo. Por ejemplo, si tengo un SUPER de 250 kilovatios, puedo pedirle a otro proveedor que fabrique el IPS.

Esta es también la construcción que estamos operando aquí en los laboratorios. Alguien más puede hacer el IPS por mí siempre que esté estandarizado para que pueda coordinarse con el SUPER. También puedo obtener IPS y subcomponentes de diferentes proveedores y conectarlos. Puede utilizar un proveedor para el inversor y otros para los componentes internos.

Krishna Moorthy:Sí.

Krishna Moorthy:La aplicación en la que estaba pensando son los sistemas fotovoltaicos (PV).

Si desea, digamos, una energía fotovoltaica a escala de servicio público de un MW, si uno de los submódulos fotovoltaicos falla, toda la planta se colapsará. Entonces, si tengo una arquitectura para solucionarlo y eso puede decirme que este PV se está degradando o que va a ocurrir alguna falla en un componente, puedo programar el mantenimiento en torno a eso, en lugar de apagar todo el sistema.

Krishna Moorthy: Ahí es donde entra en juego la arquitectura. Tenemos capas y capas de jerarquía. Entonces, así como los IPS están coordinados por los SUPERS, los SUPERS están coordinados como nodos. Estamos habilitando inteligencia en cada capa para que nos diga si algo está fallando. Y luego tenemos capas en el nivel superior para decir: "Está bien, si esto falla y puedo operar sin problemas sin tener esto, puedo reducir la potencia de salida y solucionarlo". Ese es el tipo de inteligencia que estamos incorporando en cada capa.

Krishna Moorthy:Sinceramente, estoy visualizando esto en todas partes.

Krishna Moorthy: Una microrred agrega varios inversores o convertidores, por ejemplo, si se trata de una microrred de CA o CC. SUPER se puede usar para microrredes, pero hay un nivel más de agregación que puede hacer: puede agregar varias etapas de potencia para aumentar la potencia de salida y aún tener un punto de conexión a la red. Ese es el nivel de agregación del que es capaz esta arquitectura.

ENLACES RELACIONADOS:

Un enfoque de ingeniería de sistemas para sistemas de energía sostenibles

Amplias capacidades de electrónica de potencia NREL

Krishna Moorthy: Pronto empezarás a ver algunas de las cosas de integración más importantes que existen. Con respecto a este proyecto, definimos preliminarmente la estructura de lo que estos SUPER pueden hacer y las diferentes formas en que la arquitectura es útil.

Ahora, lo más importante en lo que estoy trabajando es integrarlos en un nodo como una microrred y ver cuán beneficiosos son para la microrred en el nivel superior. Además, para ver los tipos de flexibilidades de control que puedo obtener con la mayor cantidad de datos que obtengo en el futuro.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Tech Briefs.

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