Maestría en Ingeniería Eléctrica · 2026
Módulo basado en la técnica power hardware-in-the-loop para la emulación de sistemas de distribución de energía eléctrica
La evolución de las redes eléctricas hacia las redes eléctricas inteligentes (Smart Grids) ha impulsado la adopción de nuevas tecnologías que mejoran la eficiencia y flexibilidad de los sistemas eléctricos. Sin embargo, esta transformación plantea nuevos desafíos en términos de operación y control en entornos reales. En este contexto, las herramientas de simulación en tiempo real, especialmente la técnica Power-Hardware-in-the-Loop (PHIL), permiten la integración de equipos físicos en entornos virtuales, facilitando el desarrollo de estudios sobre estos desafíos y la implementación de pruebas seguras en condiciones cercanas a la realidad. Este trabajo presenta el diseño y la implementación de un módulo de simulación en tiempo real basado en la técnica PHIL. El diseño se centra en la emulación de un sistema de distribución de energía eléctrica en su operación normal en estado estable. La integración de dispositivos de hardware reales, como cargas o generadores distribuidos, se realiza por medio de una interfaz a base de convertidores electrónicos de potencia usando una topología bidireccional AC/DC/AC en configuración back-to-back, cumpliendo un papel importante en la implementación de la técnica PHIL. De esta manera, el modelo del sistema de distribución es simulado en tiempo real en una plataforma digital y dispositivos reales bajo prueba son integrados al entorno de simulación mediante la interfaz de electrónica de potencia desarrollada y sistemas de sensado, permitiendo de esta forma realizar pruebas que combinan los dos sistemas (modelos de software y dispositivos de hardware reales) en una simulación en lazo cerrado. Se presentan resultados de simulación y experimentales del módulo desarrollado, los cuales permitieron verificar su funcionamiento y evaluar su desempeño ante variaciones de carga (dispositivo real bajo prueba). Finalmente, con este trabajo se busca fortalecer los procesos de investigación y aprendizaje en el campo de las redes eléctricas inteligentes para los estudiantes de Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Electrónica de la Universidad Industrial de Santander (UIS).
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Contenido
- 1. Introducciónp. 14
- 1.1. Objetivosp. 16
- 1.1.1. Objetivo generalp. 16
- 1.1.2. Objetivos específicosp. 16
- 1.2. Alcancesp. 16
- 1.3. Divulgación científicap. 17
- 1.4. Organización del documentop. 18
- 2. Marco teóricop. 19
- 2.1. Simulación en tiempo realp. 20
- 2.2. Introducción al Power-Hardware-In-the-Loop (PHIL)p. 20
- 2.2.4.1. Plataforma de simulación de dSPACEp. 23
- 2.3. Emulación de sistemas de distribución de energía eléctricap. 23
- 2.4. Investigaciones relacionadasp. 24
- 2.5. Convertidores electrónicos de potenciap. 25
- 3. Diseño del sistemap. 27
- 3.1. Diseño del módulo basado en la técnica PHILp. 27
- 3.1.1. Convertidor AC/DC/AC y driversp. 29
- 3.1.2. Filtros de conexiónp. 31
- 3.1.3. Sistema de control de la interfaz virtual-to-powerp. 33
- 3.1.3.1 Controlador de la tensión del bus de corriente directap. 34
- 3.1.3.2 Control de corriente en el PCRp. 55
- 3.1.3.3 Control de la tensión en el PCHp. 39
- 3.1.3.4. Verificación preliminar del diseño de los controladores mediante simulaciónp. 40
- 3.1.4. Sistema de sensadop. 44
- 3.1.5. Plataforma dSPACE DS1104p. 45
- 4. Pruebas experimentales preliminares para la interfaz virtual-to-powerp. 45
- 4.1. Descripción de la prueba experimental preliminar del control de tensiónp. 46
- 4.2. Descripción de la prueba experimental preliminar del control de corrientep. 47
- 4.4. Interfaz gráfica Matlab/Simulink de la plataforma virtual-to-powerp. 50
- 4.5. Ejecución de la prueba experimental de la interfaz virtual-to-powerp. 53
- 4.6. Desafíos y soluciones en la implementaciónp. 53
- 4.7. Ajustes de los parámetros del sistema de controlp. 54
- 4.8. Resultados de las pruebas experimentales de la interfaz virtual-to-powerp. 56
- 5. Modelos del sistema de distribución de energía eléctrica e implementación en dSPACE 1104p. 59
- 6. Pruebas experimentales del módulo PHILp. 62
- 6.1. Modelo en Matlab/Simulink implementado en la plataforma dSPACE 1104p. 63
- 6.2. Montaje final del módulop. 64
- 6.3. Inicialización y ejecución de simulaciones en tiempo real del módulo PHILp. 68
- 6.4. Resultados de la simulación en tiempo real para una carga de 600 [W]p. 68
- 6.5. Análisis de resultadosp. 71
- 6.5.1. Análisis de resultados experimentales de la simulación en tiempo realp. 72
- 6.6. Resultados de la simulación en tiempo real ante variación de carga en el PCHp. 73
- 7. Conclusionesp. 75
- 7.1. Conclusiones generalesp. 75
- 7.2. Síntesis del cumplimiento de los objetivosp. 75
- 7.3. Hallazgos Principalesp. 76
- 7.4. Limitacionesp. 77
- 7.5. Líneas de investigación futurasp. 77
- 8. Referencias bibliográficasp. 79
- Tabla 1 Principales especificaciones del inversorp. 30
- Tabla 2 Parámetros para la prueba experimental de control de tensiónp. 46
- Tabla 3 Parámetros para la prueba experimental de control de corrientep. 48
- Tabla 4 Ajustes de ganancias del sistema de controlp. 55
- Tabla 5 Parámetros de las pruebas experimentalesp. 56
- Tabla 6 Tiempo de ejecución de acuerdo con el modelo de red eléctrica emuladop. 61
- 600Wp. 72
- Figura 1 Configuración general del modelo desarrolladop. 17
- Figura 2 Estructura general de un sistema PHILp. 21
- eléctricap. 29
- Figura 4 Esquema por fase del filtro LCLp. 32
- Figura 5 Diagrama de bloques del controlador PI del bus de DCp. 34
- Figura 6 Diagrama de bloques del controlador PR para el seguimiento de corrientep. 38
- Figura 7 Diagrama de bloques del controlador PR para el seguimiento de tensiónp. 40
- Figura 8 Modelo en simulink de la interfaz virtual-to-powerp. 41
- para la fase ap. 42
- PCR para la fase ap. 43
- Figura 12 Esquema para verificar el funcionamiento del control de tensión en AC en el PCHp. 47
- Figura 13 Esquema para verificar el funcionamiento del control de corriente en AC en el PCRp. 48
- Figura 14 Esquema del circuito de inicialización y carga del bus DCp. 50
- Figura 16 Interfaz gráfica del sistema de controlp. 52
- Figura 17 Interfaz gráfica de las protecciones digitales para el módulo PHILp. 53
- Figura 20 Resultado de la tensión del bus DC del convertidor back-to-backp. 58
- Figura 21 Interfaz del modelo del sistema de distribución implementado en la plataforma dSPACEp. 59
- módulo PHILp. 64
- Figura 23 Filtro LCL y módulo de sensado de señales de tensión y corrientep. 65
- Figura 25 Convertidores SPM-VFD-KIT de Taraz Technologiesp. 66
- Figura 26 Tarjeta de control de Texas Instrumentsp. 66
- Figura 27 Carga trifásica balanceada de 600 [W]p. 67
- distribución de energía eléctricap. 68
- Figura 33 Resultado de la tensión del bus DC del convertidor back-to-backp. 71
- Figura 34p. 74
- ante variación de cargap. 74
- Figura 36 Bloques en Matlab/Simulink para el encendido/apagado del relé NA de carga del bus DCp. 86
- Figura 37 Modelo del sistema de distribución de 9 nodosp. 89
- Figura 38 Modelo del sistema de distribución de 30 nodosp. 90
- Apéndice A. Filtro digitalp. 84
- Apéndice B. Sensores de tensión y corrientep. 85
- Apéndice C. Pasos para ejecutar el circuito de inicialización y carga del bus DCp. 86
- Apéndice D. Pasos para la ejecución de simulaciones de la interfaz virtual-to-powerp. 87
- Apéndice E. Modelos de las redes eléctricas adaptadas de la IEEEp. 89
- Apéndice F. Documentosp. 91