Emulación solar en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL)

Viajé con uno de los técnicos de Magna-Power para la puesta en marcha de un sistema masivo de fuente de alimentación programable de 1,500,000 watts en el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía en Golden, Colorado. NREL es la principal instalación de los Estados Unidos para la investigación y el desarrollo de energías renovables. La Instalación de Integración de Sistemas Energéticos (ESIF) en NREL, donde se encuentra el sistema de 1.5 MW de Magna-Power, proporciona un banco de pruebas para una infraestructura energética limpia, renovable e inteligente en los EE. UU.

El sistema de Magna-Power en NREL está compuesto por seis fuentes de alimentación MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI, que pueden configurarse para operación maestro-esclavo en serie o en paralelo con el dispositivo de interconexión UID47 de Magna-Power. Cada módulo de fuente de alimentación MTD1000-250/480+HS+ISO+LXI es capaz de proporcionar 0-1000 Vdc y 0-250 Adc de forma continua. Con la opción de Salida de Alto Aislamiento (+ISO), cada unidad tiene una clasificación de aislamiento de salida DC de ± 4000 Vdc, lo que permite configurar los módulos hasta 4000 Vdc en serie. Con seis módulos, se pueden lograr diversas configuraciones en serie y en paralelo. Como todos los productos de Magna-Power, este sistema puede utilizarse como fuente de alimentación estándar de corriente constante, voltaje constante o como emulador PV. Como emulador PV, este sistema se utiliza para pruebas y evaluación de nuevas tecnologías y productos comerciales.

Tuve la oportunidad de sentarme con Mariko Shirazi, una Ingeniera Eléctrica clave en el proceso de selección del simulador PV, para hablar más sobre las actividades de ESIF y la aplicación de la fuente de alimentación DC programable de la Serie MT de Magna-Power.

Entrevista con Mariko Shirazi, Ph.D.

¿Cuál es la misión del Laboratorio Nacional de Energías Renovables y, en particular, de la Instalación de Integración de Sistemas Energéticos (ESIF)?
El objetivo general de esta instalación es probar sistemas energéticos, incluyendo eléctricos, térmicos y de combustible, y proporcionar una plataforma que integre todos estos sistemas en un banco de pruebas unificado.

¿Cómo se utilizan las fuentes de alimentación DC programables para lograr este objetivo?
Las fuentes de alimentación DC programables se utilizan como simuladores fotovoltaicos (PV). Una de las grandes ventajas de ESIF es que tenemos la capacidad de probar inversores PV a escala comercial y de servicios públicos (es decir, 100 kW, 1 MW, etc.) aquí. Contamos con un simulador de red AC de 1 MW que nos permite imponer condiciones anormales de voltaje y frecuencia al inversor PV para ver cómo responde, lo cual no es una capacidad común en una instalación de pruebas pública. Como resultado, los fabricantes de inversores están interesados en traer sus inversores aquí para probarlos. Junto con la conexión del simulador de red AC, también necesitamos capacidad de simulación DC PV. Dado que no disponemos de matrices PV de 1 MW, necesitamos la capacidad de generar esa entrada. Y además, incluso si tuviéramos una matriz disponible, los simuladores PV son convenientes porque pueden producir resultados repetibles y no dependen de las condiciones ambientales.

Las fuentes de alimentación DC programables que son bidireccionales también pueden utilizarse para simular un banco de baterías. Si queremos probar un inversor UPS grande u otro inversor conectado a baterías, es posible que no tengamos una batería de ese tamaño disponible, pero aún podríamos probar el inversor con un simulador de baterías.

¿Cuándo entró en funcionamiento el sistema de simulador PV de NREL y comenzó a probar inversores?
Tuvimos una verificación de preparación en abril de 2013 y comenzamos a probar inversores en mayo de 2013. Desde el lado de la simulación PV, empezamos con 1 MW de Magna-Power.

¿Cuáles fueron algunos de los factores clave de selección cuando estaban evaluando varios tipos de fuentes de alimentación y emuladores PV a esta escala?
Clasificaciones de potencia y voltaje. Ancho de banda. Costo. Clasificación de voltaje de aislamiento. Bidireccionalidad. Modularidad. Entradas analógicas externas y tipo (voltaje/corriente vs. irradiancia/temperatura, cada una tiene sus propias ventajas según la aplicación). Sofisticación del software. Número de puntos emulados en una curva PV. Interpolación entre curvas sucesivas. Velocidad de actualización de curvas del simulador PV. Capacidad de simular curvas multi-diodo/multi-pico.

¿Cuáles son algunas de las características clave del software PPPE que han simplificado sus pruebas?
Nos gusta la capacidad de ingresar manualmente una matriz o ingresar una matriz por punto de máxima potencia, voltaje de circuito abierto y parámetros de cortocircuito. Aún no hemos utilizado el modelo detallado proporcionado, donde se ingresa temperatura e irradiancia, pero definitivamente nos gustan los otros dos modos.

¿Qué aspecto de su aplicación requirió la opción de Alto Aislamiento (+ISO)?
Queremos operar a ±2000 Vdc, ya sea flotante o conectado a tierra, por lo que definitivamente existe la posibilidad de que podamos flotar por encima del aislamiento de salida de la configuración estándar. Definitivamente queríamos el voltaje de aislamiento de salida más alto disponible; esto también fue un factor decisivo.

¿Planean aprovechar la E/S analógico-digital para su propio controlador?
Sí, ya lo hemos hecho. Utilizamos un sistema en tiempo real Opal-RT con nuestro propio modelo PV para simulación. Me sorprendió bastante lo bien que funcionó porque solo estábamos operando un inversor de 5 kW con esta enorme fuente de alimentación.

¿Qué características integradas en el sistema de Magna-Power garantizaron la seguridad en esta aplicación?
Definitivamente la entrada de parada de emergencia [Interlock]: crítica.

El sistema de Magna-Power está construido con módulos de 250 kW. ¿Están utilizando esta modularidad para reconfigurar el sistema?
La modularidad fue clave porque podemos querer probar un inversor de 1.5 MW, tres inversores diferentes de 500 kW o seis inversores de 250 kW. Pueden imaginarse que, como Instalación de Integración de Sistemas Energéticos, queremos probar equipos de fuente única, pero también cuál es el efecto de múltiples equipos de fuente en la plataforma.

Mariko Shirazi actualmente se desempeña como Ingeniera Principal de REDB para la Instalación de Integración de Sistemas Energéticos (ESIF) de NREL. El REDB (Bus de Distribución Eléctrica de Investigación) es la columna vertebral de la infraestructura de pruebas de sistemas eléctricos de ESIF. En su rol como Ingeniera Principal de REDB, Mari es responsable de garantizar la relevancia continua, el rendimiento y la operación segura de los equipos eléctricos críticos de investigación conectados al REDB. En el lado de la investigación, Mari se enfoca en electrónica de potencia y desarrollo de controles de microrredes. Mari obtuvo una licenciatura en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Alaska, Fairbanks, y una maestría y un doctorado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Colorado en Boulder.