I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9 ,   p p .   6 6 ~ 7 7   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   D O I :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 9 i 1 . p p 6 6 - 7 7             6 6       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s c o r e . c o m / j o u r n a l s / i n d e x . p h p / I J E C E   I m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   a   b i o m a s s   g a s i f i e r   s y s t e m       Y e c i d   M u ñ o z 1 ,   A d a l b e r t o   O s p i n o 2 ,   C a r l o s   R o b l e s 3 ,   C a r l o s   A r i z m e n d i 4   1 , 4 F a c u l t a d   d e   I n g e n i e r í a ,   U n i v e r s i d a d   A u t ó n o m a   d e   B u c a r a m a n g a ,   C o l o m b i a   2 F a c u l t a d   d e   I n g e n i e r í a ,   U n i v e r s i d a d   d e   l a   C o s t a ,   C o l o m b i a   3 F a c u l t a d   d e   I n g e n i e r í a ,   U n i v e r s i d a d   d e l   M a g d a l e n a ,   C o l o m b i a       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T     A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   F e b   6 ,   2 0 1 8   R e v i s e d   A u g   1 0 ,   2 0 1 8   A c c e p t e d   O c t   8 ,   2 0 1 8     D i s t r i b u t e d   p o w e r   g e n e r a t i o n   h a s   g r o w n   i n   p o p u l a r i t y   i n   r e c e n t   y e a r s ,   e s p e c i a l l y   i n   a r e a s   n o t   c o n n e c t e d   t o   t h e   n a t i o n a l   g r i d .   A s   a   r e s u l t ,   r u r a l   m i c r o g r i d s   a r e   b e c o m i n g   m o r e   c o m m o n ,   i n v o l v i n g   g r e a t   p o t e n t i a l   f o r   e n e r g y   b a s e d   o n   b i o m a s s   c o n v e r s i o n   s u c h   a s   g a s i f i c a t i o n .   A f t e r   a n a l y z i n g   d i s t r i b u t e d   p o w e r   g e n e r a t i o n   f a c i l i t i e s   i n   d e v e l o p i n g   c o u n t r i e s ,   t h e   a u t h o r s   f o u n d   p r o b l e m s   w i t h   t h e   f r e q u e n c y   s t a b i l i t y .   T h i s   p a p e r   f o c u s e s   o n   s o l v i n g   t h e   p r o b l e m   o f   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   e n e r g y   s u p p l i e d   b y   m i c r o g r i d s   b a s e d   i n   b i o m a s s   g a s i f i c a t i o n .   F o r   t h a t   p u r p o s e ,   t h e   a u t h o r s   h a v e   d e v e l o p e d   a   p h y s i c a l   m o d e l   o f   a   d o w n d r a f t   g a s i f i e r ,   t h i s   m o d e l   w a s   u s e d   f o r   d e s i g n   a   n o v e l   s t r a t e g y   f o r   f r e q u e n c y   c o n t r o l ,   w h i c h   h a s   b e e n   b a s e d   a n d   v a l i d a t e d   o n   a n   e x i s t i n g   g a s i f i c a t i o n   s y s t e m ,   w h i c h   s u p p l i e s   p o w e r   t o   a   p o p u l a t i o n   i n   N e c o c l í   ( C o l o m b i a ) .   K e y w o r d :   B i o m a s s     D o w n d r a f t   G a s i f i e r     M i c r o g r i d   C o p y r i g h t   ©   2 0 1 9   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   A d a l b e r t o   O s p i n o ,     F a c u l t a d   d e   I n g e n i e r í a ,   U n i v e r s i d a d   d e   l a   C o s t a ,     C a l l e   5 8   N o   5 5 - 6 6 ,   B a r r a n q u i l l a ,   A t l á n t i c o ,   C o l o m b i a .   E m a i l :   a o s p i n o 8 @ c u c . e d u . c o       1 .   I N T R O D U C T I O N     T h e   c o n c e p t   o f   d i s t r i b u t e d   p o w e r   g e n e r a t i o n   ( D G ) ,   o r   m i c r o g r i d s   t h a t   w o r k   i n   i s o l a t i o n ,   i s   c u r r e n t l y   b e c o m i n g   a n   o p t i o n   t o   s o l v e   t h e   p r o b l e m   o f   e l e c t r i c i t y   s u p p l y ,   e s p e c i a l l y   i n   r u r a l   a r e a s   i n   d e v e l o p i n g   c o u n t r i e s   w h e r e   t h e   m a i n   g r i d   i s   u n a v a i l a b l e   [ 1 ] - [ 4 ] .   D G   i n v o l v e s   i m p r o v e m e n t s   i n   v o l t a g e   p r o f i l e s   a n d   r e d u c e s   d i s t r i b u t i o n   l o s s e s   b e c a u s e   t h e   g e n e r a t o r s   a r e   l o c a t e d   n e a r   t h e   r u r a l   l o a d   c e n t e r s   [ 5 ] ,   [ 6 ] .   T h e   f e a s i b i l i t y   o f   b i o m a s s   g a s i f i c a t i o n   i n   t h e   r u r a l   e l e c t r i f i c a t i o n   o f   r e m o t e   a r e a s   h a s   b e e n   w i d e l y   i n v e s t i g a t e d   [ 7 ] .   I n   [ 8 ]   a r e   c o n s i d e r e d   d i f f e r e n t   c i r c u m s t a n c e s   u s i n g   a n   a n n u a l   c o s t   m o d e l   t a k i n g   i n t o   a c c o u n t   t h e   t i m e - v a l u e   o f   m o n e y ,   a n d   s u g g e s t s   g a s i f i e r   m a s s   p r o d u c t i o n   a s   a   p r e r e q u i s i t e   f o r   m a k i n g   t h i s   t e c h n i q u e   f e a s i b l e .   T e c h n o l o g y   i s   c u r r e n t l y   c l o s e r   t o   f u l f i l l i n g   t h i s   p r e r e q u i s i t e   a n d   c o n s i d e r i n g   t h e   r i s i n g   p r i c e   o f   f o s s i l   f u e l s   a n d   e l e c t r i c i t y ,   g a s i f i c a t i o n   i s   m o r e   a p p l i c a b l e .   O t h e r   a u t h o r s   p r e s e n t   r u r a l   e l e c t r i f i c a t i o n   a s   a   f a v o r a b l e   s c e n a r i o   f o r   t h e   g a s i f i c a t i o n   o f   b i o m a s s   [ 9 ] .   B i o m a s s   h a s   a   h i g h   p o t e n t i a l   c o n t r i b u t i o n   t o   t h e   r e n e w a b l e   e n e r g y   m i x   i n   d e v e l o p i n g   c o u n t r i e s   [ 1 0 ] - [ 1 2 ] .   I n   t h e   c a s e   o f   I n d i a ,   b i o m a s s - b a s e d   p o w e r   i s   w i d e l y   a v a i l a b l e   a n d   m o r e   u n i f o r m l y   d i s t r i b u t e d   t h a n   o t h e r   r e n e w a b l e   e n e r g y   s o u r c e s   [ 1 3 ] .   T h e   p o t e n t i a l   f o r   g e n e r a t i o n   t h r o u g h   r e n e w a b l e   s o u r c e s   i n   I n d i a   i s   8 5 G W   a n d   b i o m a s s   c o u l d   s u p p l y   a p p r o x i m a t e l y   2 5 %   ( a b o u t   2 0 G W )   a n d   s o   r e p r e s e n t   a   h i g h l y   v i a b l e   s o l u t i o n   f o r   t h e   e n e r g y   d e m a n d s   o f   s m a l l   v i l l a g e s   [ 1 4 ] .   A s   i n   c o n v e n t i o n a l   g r i d s ,   t o   m a i n t a i n   q u a l i t y   l e v e l s   t h e   f r e q u e n c y   o f   t h e   e l e c t r i c i t y   m u s t   b e   m a i n t a i n e d   w i t h i n   a   m i n i m u m   d e v i a t i o n   w h e n   u s i n g   D G   [ 1 5 ] .   T h e   a u t h o r s   i n   [ 1 6 ]   s u g g e s t   t h a t   D G   u n i t s   m u s t   c o n t r i b u t e   t o   f r e q u e n c y   c o n t r o l   a n d   i n   o r d e r   t o   c o n t r i b u t e   t o   p r i m a r y   f r e q u e n c y   c o n t r o l   t h e s e   u n i t s   m u s t   i n c r e a s e   t h e i r   p o w e r   o u t p u t .   V a r i o u s   s t u d i e s   p r e s e n t   s i m u l a t i o n s   u s i n g   t h e   m o d e l   o f   a   c o n v e n t i o n a l   p o w e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       I m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   a   b i o m a s s   g a s i f i e r   s y s t e m   ( Y e c i d   M u ñ o z )   6 7 p l a n t   [ 1 7 ] ,   [ 1 8 ] ,   w i n d   t u r b i n e   [ 1 9 ] ,   m i c r o - t u r b i n e   [ 2 0 ] ,   f u e l   c e l l s   [ 2 1 ]   a n d   s p a r k   i g n i t i o n   e n g i n e   p o w e r   s y s t e m   [ 2 2 ] .     T h e   U n i v e r s i d a d   P o l i t é c n i c a   d e   V a l e n c i a   ( U P V )   a n d   t h e   I n s t i t u t o   d e   P l a n i f i c a c i ó n   d e   S o l u c i o n e s   E n e r g é t i c a s   d e   C o l o m b i a   ( I P S E )   e x a m i n e d   b i o m a s s   g e n e r a t i o n   s y s t e m s   i n   r u r a l   o f f - g r i d   a r e a s   o f   C o l o m b i a .   T h e y   f o u n d   s e r i o u s   p o w e r   p r o b l e m s   i n   t h e   f r e q u e n c y   s t a b i l i t y   o f   t h e   n e t w o r k ,   w i t h   v a r i a t i o n s   g r e a t e r   t h a n   ± 1 0 %   o f   t h e   d e s i r e d   f r e q u e n c y   o f   6 0   H z .   T h e s e   p r o b l e m s   a r e   m o s t l y   c a u s e d   b y   t h e   l a c k   o f   a u t o m a t i o n   o f   t h e   g r i d   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   b i o m a s s   u n i t s .     T o   s o l v e   t h i s   p r o b l e m ,   t h i s   p a p e r   f i r s t l y   p r o p o s e s   a   p h y s i c a l   m o d e l   o f   t h e   d y n a m i c   b e h a v i o r   o f   a n   i s o l a t e d   d o w n d r a f t   b i o m a s s   g a s i f i c a t i o n   s y s t e m   w h i c h   w i l l   b e   u s e d   t o   d e s i g n   a   c a s c a d e   c o n t r o l   s y s t e m .   T h i s   m o d e l   i s   b a s e d   a n d   v a l i d a t e d   o n   a n   e x i s t i n g   g a s i f i c a t i o n   s y s t e m   i n   N e c o c l í   ( C o l o m b i a ) .   A   g l o b a l   a n a l y s i s   h a s   b e e n   m a d e .   R e s u l t s   f r o m   o t h e r   a u t h o r s ,   e x p e r i m e n t a l   d a t a ,   a n d   n e w   c o n t r i b u t i o n s   h a v e   b e e n   u s e d   t o   d e v e l o p   t h e   p h y s i c a l   m o d e l l i n g .   T h i s   m o d e l l i n g   t a k e s   i n t o   a c c o u n t   t h e   n o n l i n e a r i t i e s   o f   t h e   a n a l y z e d   s y s t e m s .       2 .   S Y S T E M   P H Y S I C A L   D E S C R I P T I O N   T h e   p h y s i c a l   s y s t e m   c o n s i s t s   o f   a   t h r e e - p h a s e   s y n c h r o n o u s   g e n e r a t o r   d r i v e n   b y   a   r e c i p r o c a t i n g   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e   ( R I C E )   p o w e r e d   b y   s y n t h e s i s   g a s   p r o v i d e d   b y   a   d o w n d r a f t   b i o m a s s   g a s i f i e r .   F i g u r e   1   a n d   T a b l e   1   s h o w s   i m a g e s   o f   t h e   s y s t e m   a n d   g a s i f i e r   s p e c i f i c a t i o n s   r e s p e c t i v e l y .           F i g u r e   1 .   R I C E - g e n e r a t o r   ( a )   a n d   ( b )   G a s i f i e r   i n s t a l l e d   i n   N e c o c l í   ( C o l o m b i a )         A   s c h e m a t i c   d i a g r a m   o f   t h e   s y s t e m   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 ,   w h i c h   a l s o   i d e n t i f i e s   t h e   c o m p o n e n t s .   T h e   b i o m a s s   i s   s t o r e d   i n   t h e   h o p p e r   a n d   f e d   t o   t h e   g a s i f i e r   t h r o u g h   t h e   d o u b l e   d o o r   f e e d e r   s y s t e m .   A   l i m i t e d   a m o u n t   o f   a i r   f o r   p a r t i a l   c o m b u s t i o n   e n t e r s   t h r o u g h   t h e   a i r   v a l v e   t o   t h e   c o m b u s t i o n   z o n e   t o   e n s u r e   t h e   p r o d u c t i o n   o f   a   r e l a t i v e l y   c l e a n   a n d   g o o d   q u a l i t y   g a s .           F i g u r e   2 .   S y s t e m   l a y o u t       T h e   r e a c t o r   m a i n t a i n s   a   c o a l   b e d   t h a t   e n a b l e s   t h e   r e d u c t i o n   ( o r   g a s i f i c a t i o n )   o f   t h e   p a r t i a l l y   b u r n t   p r o d u c t s ,   a n d   f a c i l i t a t e s   t h e   e v a c u a t i o n   o f   a s h e s   t h r o u g h   a   p e r f o r a t e d   w a l l   ( p u s h e d   i n t o   t h e   a s h   c o l l e c t i o n   c h a m b e r   w h e n   n e c e s s a r y ) .   T h e   g a s   o u t l e t   i s   c o n n e c t e d   t o   t h e   p o w e r   p l a n t   t h r o u g h   a   V e n t u r i   S c r u b b e r ,   f o l l o w e d   b y   c o a r s e   f i l t e r s ,   f i n e   f i l t e r s ,   a n d   a   s e c u r i t y   f i l t e r .   T h e s e   f i l t e r s   a r e   t h e n   f o l l o w e d   b y   a   s e c u r i t y   f l a m e   a n d   t h e   o u t p u t   v a l v e   o f   t h e   p l a n t   ( f o r   g a s   c l e a n i n g   a n d   o p e r a t i o n ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     6 6   -   7 7   6 8 A f t e r   t h e   o u t p u t   o f   t h e   g a s i f i e r ,   t h e   s y n t h e s i s   g a s   ( h e r e i n a f t e r ,   g a s )   g e n e r a t e d   b y   t h e   g a s i f i c a t i o n   s y s t e m ,   p a s s e s   t h r o u g h   a   g a s   f l o w   c o n t r o l   v a l v e   ( i t e m   1 1   i n   F i g u r e   2 )   a n d   i s   s u c k e d   i n t o   t h e   b l o w e r   ( i t e m   1 2   i n   F i g u r e   2 ) .   F i n a l l y ,   t h e   g a s   g o e s   t h r o u g h   t h e   e n g i n e   v a l v e   t o   a c c e s s   a n   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e   c o u p l e d   t o   t h e   g e n e r a t o r .   I n   t h e   c a s e   o f   t h e   g a s i f i e r   u n d e r   c o n s i d e r a t i o n ,   a i r   e n t e r s   t h r o u g h   t h e   a i r   n o z z l e   o f   t h e   h o p p e r ,   a n d   t h e   a m o u n t   e n t e r i n g   t h e   g e n e r a t o r   d e p e n d s   o n   t h e   b l o w e r   s p e e d   a n d   t h e   g a s   f l o w   c o n t r o l   v a l v e .   S p e c i f i c a t i o n s   o f   t h e   b l o w e r   a n d   R I C E - g e n e r a t o r   a r e   p r e s e n t e d   i n   T a b l e   2 .       T a b l e   1 .   G a s i f i e r   S p e c i f i c a t i o n s   C h a r a c t e r i s t i c   V a l u e   M o d e l   A n k u r   W B G - 8 0   O p e r a t i n g   m o d e   C l e a n   a n d   c o l d   g a s   E l e c t r i c a l   p o w e r   4 0   k W   G a s i f i e r   t y p e   D o w n d r a f t   G a s i f i c a t i o n   t e m p e r a t u r e   1 0 5 0     1 1 0 0 ° C   G a s   f l o w   2 0 0   m 3 / h   A v e r a g e   c a l o r i f i c   v a l u e   1 0 0 0   k c a l / m 3   C o o l i n g   a n d   c l e a n i n g   s y s t e m   V e n t u r i   S c r u b b e r ,   f a t   f i l t e r s ,   f i n e   f i l t e r s   a n d   s a f e t y   f i l t e r   S t a r t   T h r o u g h   t h e   b o o t   s c r u b b e r   p u m p   a n d   b l o w e r   F u e l   t y p e   a n d   s i z e   W a s t e   w o o d   w i t h   m a x i m u m   d i m e n s i o n s :   d i a m e t e r   2 5 - 5 0   m m   a n d   l e n g t h   5 0 - 6 0 m m   F u e l   c o n s u m p t i o n   1 . 3 1 . 4   k g / k W .   W o o d   c o n t a i n i n g   l e s s   t h a n   2 0 %   h u m i d i t y   A l l o w e d   m o i s t u r e   5     2 0 %   N o m i n a l   c o n s u m p t i o n   p e r   h o u r   6 0     6 5   k g / h   A s h   d i s c h a r g e   5     6 %   N o r m a l   e f f i c i e n c y   c o n v e r s i o n   > 7 5 %   N o r m a l   g a s   c o m p o s i t i o n   N 2 : 5 0 % ,   C O : 1 9 ± 3 % ,   H 2 :   1 8 ± 2 % ,   C O 2 :   1 0 ± 3 % ,   C H 4 : < 3 %       T h e   e n e r g y   g e n e r a t e d   b y   t h e   p l a n t   ( e n g i n e - g e n e r a t o r )   d e p e n d s   o n   t h e   c a l o r i f i c   v a l u e   a n d   g a s   f l o w   e n t e r i n g   a n d   t h e s e   p a r a m e t e r s   a r e   a   f u n c t i o n   o f   t h e   a i r   e n t e r i n g   t h e   p r o c e s s   i n   t h e   g a s i f i e r   [ 2 3 ] .   A   p h y s i c a l   a n a l y s i s   o f   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   e a c h   o f   t h e   p a r t s   o f   t h e   s y s t e m   i s   p e r f o r m e d   i n   t h i s   p a p e r   t o   d e t e r m i n e   t h e   f r e q u e n c y   s u p p l i e d   b y   t h e   g e n e r a t o r .   T o   d e v e l o p   t h e   p r o p o s e d   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m ,   t h e   a u t h o r s   u s e   e x i s t i n g   m o d e l s ,   s i m u l a t i o n s ,   a n d   e x p e r i m e n t a l   v a l u e s .       T a b l e   2 .   B l o w e r   a n d   R I C E - G e n e r a t o r   S p e c i f i c a t i o n s     C h a r a c t e r i s t i c   V a l u e   B l o w e r   M a n u f a c t u r e r   U n i t e d   E n g .   W o r k s   P o w e r   ( H P )   3 . 0   S p e e d   ( r p m )   3 3 6 0   V o l t a g e   ( V )   2 1 5   S t a t i c   p r e s s u r e   ( m m w c )   7 0 0   F l o w   ( N m 3 / h )   3 0 0   G e n e r a t i o n   P l a n t   M a n u f a c t u r e r   P r a k a s h   M o d e l   P N - 6   P o w e r   ( H P )   6 5   S p e e d   ( r p m )   1 , 8 0 0   A l t e r n a t o r   M a n u f a c t u r e r   K i r l o s k a r   P o w e r   ( k V A )   5 5   V o l t a g e   ( V )   2 2 0   C u r r e n t   ( A )   1 4 5   S p e e d   ( r p m )   1 8 0 0   P h a s e s   3       3 .   M A T E R I A L S   A N D   M E T H O D S   T h e   m e t h o d o l o g y   u s e d   t o   p e r f o r m   t h e   g l o b a l   p h y s i c a l   m o d e l l i n g   o f   t h e   s y s t e m   a n d   i m p l e m e n t   t h e   f r e q u e n c y   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .   T h e   f i r s t   s t e p   o f   t h e   p r o p o s e d   m e t h o d o l o g y   c o n s i s t s   i n   a   p h y s i c a l   m o d e l l i n g   o f   t h e   w h o l e   s y s t e m .   T h e   m a i n   p a r t s   o f   t h e   s y s t e m   a r e :   t h e   g a s i f i e r   ( t h e   m o d e l   c o n s i d e r s   s t a t i c   a n d   d y n a m i c   b e h a v i o r ) ,   t h e   b l o w e r   ( c o n t r o l s   t h e   g a s   f l o w ) ,   a n d   t h e   R I C E - g e n e r a t o r   s e t .   S e c o n d l y ,   v a l i d a t i o n   o f   t h e   m o d e l   i s   p e r f o r m e d   i n   o p e n   l o o p   u s i n g   m e a s u r e m e n t s   o b t a i n e d   f r o m   t h e   r e a l   s y s t e m .   A   c a s c a d e   c o n t r o l   l o o p   i s   p r o p o s e d   t o   d e v e l o p   f r e q u e n c y   c o n t r o l   u s i n g   t h e   m o d e l   o b t a i n e d   i n   t h e   p r e v i o u s   s t e p s .   F i n a l l y ,   r e s u l t s   a r e   p r e s e n t e d .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       I m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   a   b i o m a s s   g a s i f i e r   s y s t e m   ( Y e c i d   M u ñ o z )   6 9     F i g u r e   3 .   M e t h o d o l o g y       3 . 1 .       D o w n d r a f t   g a s i f i e r   p h y s i c a l   m o d e l l i n g   G a s i f i c a t i o n   i s   a   h i g h - t e m p e r a t u r e   t h e r m o - c h e m i c a l   p r o c e s s   t h a t   c o n v e r t s   s o l i d   o r   l i q u i d   f u e l   i n t o   a   g a s e o u s   f u e l .   T h i s   t e c h n i q u e   h a s   b e e n   k n o w n   f o r   c e n t u r i e s ,   a n d   h a s   b e e n   u s e d   t o   o b t a i n   a   c l e a n e r   a n d   v e r s a t i l e   f u e l   f r o m   u n s u i t a b l e   p r i m a r y   f u e l s .   G a s i f i e r s   m a y   b e   c l a s s i f i e d   i n t o   t w o   g r o u p s :   f l u i d   a n d   f i x e d   b e d .   T w o   t y p e s   o f   f i x e d   b e d   g a s i f i e r s   e x i s t   a c c o r d i n g   t o   t h e   d i r e c t i o n   o f   m o v e m e n t   o f   t h e   b i o m a s s   a n d   g a s e s :   t h e   c o u n t e r - f l o w   o r   u p d r a f t ,   a n d   p a r a l l e l - f l o w   o r   d o w n d r a f t .   D o w n d r a f t   i s   t h e   m o s t   w i d e l y   u s e d   t e c h n i q u e ,   b e c a u s e   i t   p r o d u c e s   a   c l e a n e r   g a s   t h a n   t h e   o t h e r   t e c h n i q u e ,   d e s p i t e   h a v i n g   a   l o w e r   t h e r m o d y n a m i c   e f f i c i e n c y   [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .   T h e   p h y s i c a l   a n d   c h e m i c a l   p r o c e s s e s   t h a t   a   s o l i d   f u e l   p a r t i c l e   u n d e r g o e s   d u r i n g   g a s i f i c a t i o n   a r e   [ 2 6 ] - [ 2 9 ] :   1 .   D r y i n g :   t h e   p r o c e s s   b y   w h i c h   s o l i d   f u e l   l o s e s   h u m i d i t y .   2 .   P r i m a r y   p y r o l y s i s :   t h i s   p r o c e s s   i s   f u e l   t h e r m a l   d e c o m p o s i t i o n ,   r e l e a s i n g   g a s e s   s u c h   a s   C O ,   C O 2 ,   H 2 O ,   H 2 ,   C H 4   a n d   m a n y   h y d r o c a r b o n s ,   s o m e   o f   w h i c h   h a v e   l o n g   c h a i n s   c a l l e d   t a r s .   T h e   c a r b o n a c e o u s   s o l i d   r e s i d u e   i s   c a r b o n .   T h i s   p r o c e s s   h a s   a   c o m p l i c a t e d   e n e r g y   b a l a n c e ,   b e i n g   s l i g h t l y   e n d o t h e r m i c   o r   e x o t h e r m i c   d e p e n d i n g   o n   t h e   n a t u r e   o f   t h e   f u e l .   3 .   S e c o n d a r y   p y r o l y s i s :   i f   t e m p e r a t u r e   c o n d i t i o n s   p e r m i t ,   t h e   r e l e a s e d   t a r s   a r e   b u r n t   b y   a n   e n d o t h e r m i c   p r o c e s s   t h a t   r e l e a s e s   C O ,   C O 2 ,   H 2 O ,   H 2 ,   C H 4   a n d   f o r m s   p a r t i c l e s   o f   c o k e .     4 .   R e a c t i o n s   o f   g a s e s :   i f   o x y g e n   i s   p r e s e n t   a n d   t h e   t e m p e r a t u r e   i s   s u i t a b l e ,   t h e r e   i s   a   c o m b u s t i o n   o f   g a s e s   r e l e a s e d   d u r i n g   t h e   p r i m a r y   a n d   s e c o n d a r y   b u r n i n g s .   I n   a d d i t i o n ,   r e d u c t i o n   o r   m e t h a n a t i o n   r e a c t i o n s   c a n   o c c u r d e p e n d i n g   o n   t h e   t e m p e r a t u r e .   5 .   C o a l   r e a c t i o n s :   r e s i d u a l   c o a l   f r o m   t h e   a b o v e   r e a c t i o n s   i s   b u r n t   i n   t h e   p r e s e n c e   o f   o x y g e n   r e l e a s i n g   C O   a n d   C O 2 .   C O 2   r e d u c t i o n   t o   C O   a n d   C H 4   f o r m a t i o n   f r o m   H 2   o c c u r s   i f   t h e   t e m p e r a t u r e   i s   a p p r o p r i a t e .   D i f f e r e n t   a r e a s   m a y   b e   d e f i n e d   i n   a   d o w n d r a f t   g a s i f i e r   i n   w h i c h   t h e   a b o v e   d e s c r i b e d   r e a c t i o n s   t a k e   p l a c e   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 .   T h e s e   a r e a s   a r e   d i s t i n g u i s h e d   b y   t e m p e r a t u r e .   T h e   q u a l i t y   o f   t h e   g a s   p r o d u c e d   b y   a   d o w n d r a f t   g a s i f i e r   m a y   b e   p r e d i c t e d   b y   n u m e r i c a l   m o d e l s   a n d   b y   e s t i m a t i n g   t h e   c h e m i c a l   r e a c t i o n s   u s i n g   t h e   t h e o r y   o f   c h e m i c a l   k i n e t i c s   [ 2 8 ] ,   o r   w i t h   e x p e r i m e n t a l   v a l u e s   [ 2 3 ] - [ 3 0 ] .   T h i s   p a p e r   t a k e s   i n t o   a c c o u n t   t h e   d y n a m i c   b e h a v i o r   o f   t h e   g a s i f i e r .     U s u a l l y   i n   t h e   l i t e r a t u r e ,   t h e   e x p e r i m e n t a l   v a l u e s   o f   t h e   s t u d i e d   g a s i f i e r s   a r e   g i v e n   i n   a v e r a g e   v a l u e s   f o r   p e r i o d s   o f   m i n u t e s   f o r   d i f f e r e n t   r a n g e s   o f   s t o i c h i o m e t r i c   c o m b u s t i o n   o r   E R   ( E R   i s   t h e   s t o i c h i o m e t r i c   r a t i o   o f   a i r   n e e d e d   t o   p r o d u c e   t h e   c o m p l e t e   c o m b u s t i o n   o f   w o o d ,   w h e r e   E R = 1   t h i s   c o r r e s p o n d s   t o   5 . 2 2   N m 3 / k g   o f   w o o d )   [ 2 3 ] .   I n   t h i s   w o r k ,   t h e   g a s   c a l o r i f i c   v a l u e   ( H H V ,   e x p r e s s e d   i n   K J / N m 3 )   f o r   t h e   g a s i f i e r   s t u d i e d   i s   c a l c u l a t e d   a c c o r d i n g   t o   t h e   i n f l o w   o f   a i r   ( m a ,   e x p r e s s e d   i n   N m 3 / h )   b y   ( 1 ) :     ( ) = 0 . 5  . . + 1 . 6  . . + 4 . 8 1  (  . )       ( 1 )     W h e r e   0 . 8 7 < m a < 1 . 8 9 .   F i g u r e   5   s h o w s   t h e   e x p e r i m e n t a l   v a l u e s   a n d   t h o s e   o b t a i n e d   t h r o u g h   ( 1 ) .   F i g u r e   6   s h o w s   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   c a r r i e d   o u t   i n   M a t l a b - S i m u l i n k   t o   o b t a i n   H H V .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     6 6   -   7 7   7 0       F i g u r e   4 .   A r e a s   o f   a   d o w n d r a f t   g a s i f i e r     F i g u r e   5 .   C a l o r i f i c   v a l u e   o f   g a s   ( H H V )           F i g u r e   6 .   M a t l a b - S i m u l i n k   b l o c k   d i a g r a m       F u r t h e r m o r e ,   g a s   f l o w   ( m g   e x p r e s s e d   i n   N m 3 / h )   p r o d u c e d   b y   a i r   f l o w   d u r i n g   g a s i f i c a t i o n   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   7   f o r   t h e   a n a l y z e d   g a s i f i e r   [ 3 0 ] ,   [ 3 1 ] .   T h e   p r o d u c e d   g a s   f l o w   c a n   t h e n   b e   e s t i m a t e d   i n   a   l i n e a r   c o r r e l a t i o n   ( 2 )     ( ) = 1 . 2 6 6 4 ( ) + 0 . 1 3 7               ( 2 )           F i g u r e   7 .   G a s   f l o w   v e r s u s   a i r   f l o w   f o r   t h e   a n a l y z e d   g a s i f i e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       I m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   a   b i o m a s s   g a s i f i e r   s y s t e m   ( Y e c i d   M u ñ o z )   7 1 F i n a l l y ,   g a s   t h e r m a l   p o w e r   ( P ( t )   e x p r e s s e d   i n   K W )   i s   g i v e n   b y   t h e   p r o d u c t   o f   ( 1 )   a n d   ( 2 )   a n d   a   f a c t o r   o f   0 . 2 7 8   t o   e x p r e s s   k J / h   i n t o   k W .   ( 3 )     ( ) = 0 . 2 7 8 ( ) ( )               ( 3 )     3 . 2 .       B l o w e r   m o d e l   E l e c t r i c a l   f r e q u e n c y   d i r e c t l y   d e p e n d s   o n   t h e   b l o w e r ,   s i n c e   v a r i a t i o n s   o f   e n g i n e   s p e e d   d i r e c t l y   i n f l u e n c e   t h e   g a s   f l o w   e n t e r i n g   t h e   R I C E   a n d   t h e   c a l o r i f i c   v a l u e   o f   t h e   g a s   s u p p l i e d   b y   t h e   g a s i f i e r .   R e a l   t e s t s   o f   t h e   d y n a m i c   r e s p o n s e   o f   a   d o w n d r a f t   g a s i f i e r   h a v e   b e e n   p e r f o r m e d   i n   t h e   l a b o r a t o r i e s   o f   t h e   I n s t i t u t e   f o r   E n e r g y   E n g i n e e r i n g   a t   t h e   U P V .   T h e   o b j e c t i v e   w a s   t o   m o d e l   a i r   f l o w   d e p e n d i n g   o n   b l o w e r   s p e e d ,   b y   m e a s u r i n g   t h e   i n l e t   f l o w   w i t h   a   h o t   w i r e   f l o w - m e t e r .   T h e   c o n t r o l   v a r i a b l e   i s   t h e   s p e e d   o f   t h e   i n d u c t i o n   e n g i n e   t h a t   d r i v e s   t h e   b l o w e r   a n d   t h e   a i r   f l o w   a t   t h e   i n p u t   o f   t h e   b l o w e r .   T h e   t r a n s f e r   f u n c t i o n   f o r   t h e   a i r f l o w   v a l u e   f o l l o w i n g   a   f r e q u e n c y   c h a n g e   i n   t h e   n o m i n a l   o p e r a t i n g   p o i n t   o f   t h e   g a s i f i e r   w a s   o b t a i n e d   e x p e r i m e n t a l l y   ( 4 ) .     ( ) = . . . [ / ]             ( 4 )     T h e   e x p e r i m e n t a l   r e s p o n s e   a n d   t h e   s i m u l a t e d   r e s p o n s e   g e n e r a t e d   u s i n g   M a t l a b - S i m u l i n k   b l o c k   f o r   a   1 0   H z   s t e p   i n p u t   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   8 .     3 . 3 .       R I C E - g e n e r a t o r   p h y s i c a l   m o d e l i n g   T h e   d y n a m i c   b e h a v i o r   o f   t h e   r o t a t i o n a l   s p e e d   o f   a n   a l t e r n a t i v e   i n t e r n a l   c o m b u s t i o n   e n g i n e   ( R I C E )   d e p e n d s   o f   f o u r   v a r i a b l e s :   t h e   c a l o r i f i c   v a l u e   o f   t h e   f u e l ,   t h e   a i r   f l o w ,   t h e   l o a d   t o   b e   s u p p l i e d   b y   t h e   e n g i n e   a n d   t h e   s p a r k   a d v a n c e .   T h e   e n g i n e   m a y   b e   c o n t r o l l e d   b y   c h a n g i n g   t h e   f l o w   o f   f u e l ,   a n d   a s   s h o w n   i n   t h e   p r e v i o u s   s e c t i o n ,   t h i s   v a r i e s   t h e   c o m p o s i t i o n   o f   t h e   g a s   o b t a i n e d   i n   t h e   g a s i f i e r .   T o   a n a l y z e   t h e   b e h a v i o r   o f   a   R I C E   w h e n   c h a n g i n g   t h e   f u e l   s u p p l y ,   t h e   a s p e c t s   d i s c u s s e d   i n   t h e   f o l l o w i n g   s e c t i o n s   m u s t   b e   c o n s i d e r e d .   T h e   e n g i n e   r e s p o n s e   a t   d i f f e r e n t   s p e e d s   a n d   d i f f e r e n t   p o w e r   l e v e l s   d e p e n d i n g   o n   f u e l   c o n s u m p t i o n   i s   g i v e n   b y   t h e   l i n e s   o f   W i l l a n s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   9 .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   9 ,   a   l i n e a r   i n c r e a s e   o f   f u e l   c o n s u m p t i o n   i s   p r o d u c e d   w h e n   i n c r e a s i n g   t h e   s u p p l i e d   p o w e r   f o r   a   g i v e n   e n g i n e   s p e e d .   S i n c e   a l l   l i n e s   h a v e   t h e   s a m e   s l o p e   i t   c a n   b e   s t a t e d   t h a t   t h e   f i n a l   v a l u e   o f   t h e   f u e l   c o n s u m p t i o n   i s   d i r e c t l y   p r o p o r t i o n a l   t o   t h e   f o r c e   o b t a i n e d ,   t h e r e f o r e :     1 .   T h e   e n g i n e   s l o w s   w h e n   i t   r e c e i v e s   a n   i n c r e a s e   i n   l o a d   f o r   a   g i v e n   f u e l   c o n s u m p t i o n .   2 .   I n   a   s t e a d y   s t a t e   o f   l o a d   a n d   s p e e d ,   i t   i s   p o s s i b l e   t o   i n c r e a s e   f u e l   c o n s u m p t i o n   t o   r e c o v e r   i n i t i a l   v e l o c i t y .           F i g u r e   8 .   G a s   f l o w   o b t a i n e d   f o r   a   1 0 H z   s t e p   i n p u t   i n   t h e   f r e q u e n c y   o f   t h e   b l o w e r       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     6 6   -   7 7   7 2     F i g u r e   9 .   L i n e s   o f   W i l l a n s       3 . 4 .       R I C E - g e n e r a t o r   s e t   m o d e l   I n   t h e   l i t e r a t u r e   t h e r e   a r e   v a r i o u s   m o d e l s   o f   t h e   d y n a m i c   b e h a v i o r   o f   t h e   s p e e d   o f   a   R I C E   [ 3 2 ] - [ 3 6 ] .   I n   [ 3 4 ]   p r o p o s e   a   s i m p l e   s e c o n d - o r d e r   s y s t e m   t h a t   c o n s i d e r s   t h e   s p a r k   a d v a n c e ,   t h e   v a l v e   o p e n i n g s ,   a n d   t h e   l o a d   t o r q u e   a s   i n p u t   v a r i a b l e s .   I n   [ 3 6 ]   p r e s e n t   a n o t h e r   m o d e l   t h a t   f o r   i t s   s i m p l i c i t y   h a s   b e e n   c h o s e n   a s   a   s t a r t i n g   p o i n t   f o r   t h i s   w o r k .   T o   c o n s i d e r   t h e   p h y s i c a l   p h e n o m e n a   d e s c r i b e d   a b o v e ,   t h e   m o d e l   h a s   b e e n   m o d i f i e d   t o   i n c l u d e   t h e   v a l v e   p o i n t ,   t h e   H H V   o f   t h e   g a s   a n d   t h e   g a s   f l o w   a s   i n p u t   v a r i a b l e s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 0 .         F i g u r e   1 0 .   P r o p o s e d   R I C E   m o d e l       T h e   a c c e l e r a t o r   h a s   b e e n   m o d e l l e d   a s   a   g a s   i n j e c t i o n   w h i c h   d e p e n d s   o f   t w o   v a r i a b l e s :   t h e   v a l v e   o p e n i n g   p o i n t   a n d   t h e   p r e s s u r e   a t   t h e   i n l e t   ( 5 ) ,   ( 6 )   a n d   ( 7 ) .       = ( ) ( )                 ( 5 )     ( ) = [ 2 . 8 2 0 . 0 5 2 + 0 . 1 0 3 0 . 0 0 0 6 ] [ 0 . 0 2 5 0 . 2 5 ]       ( 6 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       I m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   a   b i o m a s s   g a s i f i e r   s y s t e m   ( Y e c i d   M u ñ o z )   7 3 ( ) = 1 2 1 2         ( 7 )     w h e r e :   m m   i s   t h e   g a s   m i x   f l o w   r a t e   i n t o   t h e   m a n i f o l d   ( g / s ) ;   θ   i s   t h e   v a l v e   p o i n t   ( d e g ) ;   P m   i s   t h e   m a n i f o l d   p r e s s u r e   ( b a r )   a n d   P a m b   i s   t h e   a t m o s p h e r i c   p r e s s u r e   ( b a r ) .   T h e   g a s   p r e s s u r e   a t   t h e   i n l e t   i s   m o d e l l e d   a s   a   d i f f e r e n t i a l   e q u a t i o n   i n   w h i c h   t h e   d i f f e r e n c e   b e t w e e n   t h e   g a s   f l o w   r e a c h i n g   t h e   i n l e t   a n d   t h e   a m o u n t   o f   g a s   e n t e r i n g   t h e   c y l i n d e r   g o v e r n   t h e   c h a n g e   i n   t h e   a m o u n t   o f   g a s   m a s s   w i t h   r e s p e c t   t o   t i m e .   V a r i a t i o n   o f   m a s s   w i t h   r e s p e c t   t o   t i m e   i n   a c c o r d a n c e   w i t h   t h e   l a w   o f   i d e a l   g a s   i s   p r o p o r t i o n a l   t o   t h e   t i m e   d e r i v a t i v e   o f   t h e   p r e s s u r e   a t   t h e   i n l e t .   I n   a d d i t i o n ,   t h e   a m o u n t   o f   f u e l   m a s s   e n t e r i n g   t h e   c y l i n d e r   i s   a   f u n c t i o n   o f   p r e s s u r e   a t   t h e   i n l e t   a n d   t h e   e n g i n e   s p e e d .   A s   t h i s   m o d e l   i s   f o r   a   f o u r - s t r o k e   e n g i n e   w i t h   f o u r   c y l i n d e r s   i n   l i n e ,   t h e   i n t a k e ,   c o m p r e s s i o n ,   c o m b u s t i o n   a n d   e x h a u s t   o c c u r   s i m u l t a n e o u s l y   i n   e a c h   o f   t h e   f o u r   c y l i n d e r s .   T h e   t o r q u e   g e n e r a t e d   i s   m o d e l l e d   f r o m   a n   e m p i r i c a l   e q u a t i o n   g i v e n   b y   [ 3 6 ] ,   w h i c h   r e l a t e s   t h e   m a s s   o f   a i r   c h a r g e d   i n t o   t h e   c y l i n d e r ,   t h e   g a s / a i r   r a t i o ,   s p a r k   a d v a n c e ,   e n g i n e   s p e e d   a n d   t h e   H H V   o f   t h e   g a s   m i x   ( 8 ) .     = [ 1 8 1 . 3 + 3 7 9 . 3 6 + 2 1 . 9 1 ( / ) 0 . 8 5 ( / ) + 0 . 2 6 0 . 0 0 2 8 + 0 . 0 2 7 0 . 0 0 0 1 0 7 + 0 . 0 0 0 4 8 + 2 . 5 5 0 . 0 5 ] [ 0 . 0 0 0 2 5 ]       ( 8 )     w h e r e :   m m   i s   t h e   g a s   m i x   f l o w   r a t e   i n   t h e   c y l i n d e r   ( g ) ;   A / F   i s   t h e   a i r   t o   g a s   r a t i o ;   σ   i s   t h e   s p a r k   a d v a n c e   ( d e g r e e s   b e f o r e   t o p -   d e a d -   c e n t e r ) ;   T E   i s   t h e   t o r q u e   p r o d u c e d   b y   t h e   e n g i n e   ( N m )   a n d   N   i s   t h e   e n g i n e   s p e e d   ( r a d / s ) .   O n c e   t h e   t o r q u e   g e n e r a t e d   b y   t h e   e n g i n e   i s   k n o w n ,   a c c e l e r a t i o n   i s   o b t a i n e d   b y   t h e   r e s i s t a n c e   t o r q u e   a n d   r o t a t i o n a l   i n e r t i a   e n g i n e   b y   ( 9 ) .     . ̇ =                   ( 9 )     W h e r e :   J   i s   t h e   e n g i n e   r o t a t i o n a l   m o m e n t   o f   i n e r t i a   ( k g m 2 ) ;     i s   t h e   e n g i n e   a c c e l e r a t i o n   ( r a d / s 2 )   a n d   T L   i s   t h e   t o r q u e   p r o d u c e d   b y   t h e   l o a d   ( N m ) .   T h e   g e n e r a t o r   i s   a   s y n c h r o n o u s   m a c h i n e   w h o s e   s p e e d   o f   r o t a t i o n   ( N )   i s   r i g i d l y   l i n k e d   t o   t h e   f r e q u e n c y   o f   t h e   p o w e r   g e n e r a t i o n   a c c o r d i n g   t o   ( 1 0 ) .     =                     ( 1 0 )     W h e r e   p   i s   t h e   n u m b e r   o f   p o l e   p a i r s   o f   t h e   m a c h i n e   [ 3 7 ] .   T h e r e f o r e ,   v o l t a g e   f r e q u e n c y   i s   d e f i n e d   b y   t h e   R I C E - e n g i n e   s p e e d .       3 . 5 .       P r o p o s e d   c o n t r o l   s t r a t e g y   A   f r e q u e n c y   c a s c a d e   c o n t r o l   o f   t h e   b l o w e r   f r e q u e n c y   a n d   t h e   v a l v e   p o i n t   i n   t h e   m a n i f o l d   h a s   b e e n   c h o s e n   u s i n g   t h e   g l o b a l   p h y s i c a l   m o d e l l i n g   o f   t h e   s y s t e m   d e s c r i b e d   i n   p r e v i o u s   s e c t i o n s   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 1 .   C a s c a d e   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   i s   u s e d   t o   m a x i m i z e   t h e   b e n e f i t s   b y   d e c r e a s i n g   t h e   e n e r g y   o f   t h e   c o n t r o l   a c t i o n s   a n d   i n c r e a s i n g   t h e   s p e e d   o f   r e s p o n s e   [ 3 8 ] .     T h e   P I D 1   c o n t r o l l e r   o b t a i n s   t h e   b l o w e r   f r e q u e n c y   f r o m   t h e   s p e e d   e r r o r   o f   t h e   R I C E .   T h e   P I D 2   o b t a i n s   t h e   v a l v e   p o i n t   f r o m   t h e   b l o w e r   f r e q u e n c y   e r r o r .   T h i s   c o n t r o l   a c t s   i n   a   s t e a d y   s t a t e   b y   o p e n i n g   t h e   v a l v e .   A s   a   r e s u l t ,   t h e   b l o w e r   f r e q u e n c y   i s   c o n s t a n t   i n   s t e a d y   s t a t e   a n d   t h i s   i s   d e s i r a b l e   b e c a u s e   t h i s   m e a n s   a   c o n s t a n t   f l o w   o f   a i r   i n t o   t h e   g a s i f i e r   a n d   s o   t h e   g a s i f i e r   o p e r a t e s   a t   a   c o n s t a n t   o p e r a t i n g   p o i n t .   C o n s t a n t   p r e s s u r e   r e g u l a t i o n   u s i n g   a   m e c h a n i c a l   v a l v e   e n s u r e s   t h a t   t h e   f l o w   o f   g a s   l e a v i n g   t h e   g a s i f i e r   i s   c o n s t a n t   r e g a r d l e s s   o f   t h e   s u b s e q u e n t   r e d u c t i o n   o f   f l o w   d u e   t h e   v a l v e   p o i n t .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     6 6   -   7 7   7 4     F i g u r e   1 1 .   C o n t r o l   a r c h i t e c t u r e   b l o c k   d i a g r a m       4 .   R E S U L T S   A N D   D I S C U S S I O N   B y   u s i n g   M a t l a b - S i m u l i n k   w a s   p o s s i b l e   t o   s i m u l a t e   t h e   t i m e   r e s p o n s e   o f   t h e   m o d e l l e d   s y s t e m   u n d e r   o p e n   l o o p   a n d   c l o s e d   l o o p   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e .   B e c a u s e   t h e   m o d e l   i s   r e a s o n a b l y   s i m i l a r   t o   t h e   r e a l   s y s t e m   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 2 ,   w e   h a v e   c a l c u l a t e d   t h e   v a l u e s   o f   t h e   d r i v e r s   a n d   t e s t e d   t h e   m o d e l   i n   a   c l o s e d   l o o p .           F i g u r e   1 2 .   M o d e l   a n d   r e a l   s y s t e m   o p e n   l o o p   r e s p o n s e       A   c a s c a d e   c o n t r o l   w a s   d e s i g n e d   t o   c o n t r o l   t h e   f r e q u e n c y   o f   t h e   r u r a l   m i c r o g r i d   s o   t h a t   o v e r s h o o t   a n d   s e t t l i n g   t i m e   w e r e   m i n i m i z e d .   I n   s t e a d y   s t a t e ,   t h e   v a l v e   p o i n t   i s   d i f f e r e n t   f o r   e a c h   l e v e l   o f   l o a d   a n d   t h e   b l o w e r   f r e q u e n c y   i s   s e t   a t   t h e   n o m i n a l   p o i n t   t h a t   i m p r o v e s   t h e   s t a b i l i t y   o f   t h e   g a s i f i e r .   I t   c a n   b e   s e e n   i n   F i g u r e   1 3   t h a t   t h e   m o d e l   i s   s t a b l e   i n   c l o s e d   l o o p ,   a n d   t h e   n e t w o r k   f r e q u e n c y   a n d   b l o w e r   f r e q u e n c y   a r e   c o n t r o l l e d .   T h e   a i r   f l o w   i n t o   t h e   g a s i f i e r   i s   c o n t r o l l e d   b y   t h e   v a l v e   p o i n t .   A   1 0   k W   s l o p e   o n   t h e   l o a d   r e q u i r e s   1 2 0   s e c o n d s   t o   s t a b i l i z e   c o m p l e t e l y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       I m p l e m e n t a t i o n   o f   a   f r e q u e n c y   c o n t r o l   i n   a   b i o m a s s   g a s i f i e r   s y s t e m   ( Y e c i d   M u ñ o z )   7 5     F i g u r e   1 3 .   M o d e l   c l o s e d   l o o p   r e s p o n s e :   ( a )   N e t w o r k   f r e q u e n c y   ( H z ) ,   ( b )   V a l v e   p o i n t   ( % ) ,   ( c )   B l o w e r   f r e q u e n c y   ( H z )       5 .   C O N C L U S I O N   G a s i f i c a t i o n   o f   b i o m a s s   i s   p r o j e c t e d   a s   o n e   o f   t h e   b e s t   p o w e r   g e n e r a t i o n   o p t i o n s   t o   s u p p l y   e n e r g y   t o   i s o l a t e d   a r e a s   i n   d e v e l o p i n g   c o u n t r i e s .   A d e q u a t e   f r e q u e n c y   c o n t r o l   o f   t h e   v o l t a g e   s u p p l i e d   b y   t h e s e   s y s t e m s   i s   d e s i r a b l e .   A n   a c c u r a t e   m o d e l   o f   t h e   s y s t e m   i s   n e c e s s a r y   t o   d e s i g n   a   r e l i a b l e   c o n t r o l .   T h i s   p a p e r   p r e s e n t s   a   p h y s i c a l   m o d e l   o f   a l l   t h e   p a r t s   o f   t h e   s y s t e m :   g a s i f i e r ,   b l o w e r ,   R I C E   a n d   g e n e r a t o r ,   w h i l e   t a k i n g   i n t o   a c c o u n t   n o n l i n e a r i t i e s   a n d   t h e   d y n a m i c   b e h a v i o r   o f   t h e   p r o d u c t i o n   o f   g a s   f r o m   a   b i o m a s s   g a s i f i e r .   A   g l o b a l   a n a l y s i s   h a s   b e e n   p e r f o r m e d   u s i n g   p r e v i o u s   c o n t r i b u t i o n s ,   e x p e r i m e n t a l   d a t a   a n d   s i m u l a t i o n s .   I n   t h i s   p a p e r   t h e   o p e r a t i o n   o f   a   d o w n d r a f t   g a s i f i e r   i s   a n a l y z e d   i n   d e t a i l   a n d   w e   o b t a i n   t h e   t r a n s f e r   f u n c t i o n   t h a t   g o v e r n s   o p e r a t i o n .   G a s i f i c a t i o n   i s   a   p r o c e s s   w i t h   s i g n i f i c a n t   i n s t a b i l i t i e s   b e c a u s e   o f   t h e   h e t e r o g e n e i t y   o f   t h e   i n t e r n a l   e n v i r o n m e n t   a n d   t h e   h e t e r o g e n e i t y   o f   t h e   w o o d   f o r   b u r n i n g .   C a l o r i f i c   v a l u e   a n d   t h e   f l o w   o f   t h e   g a s   g e n e r a t e d   b y   t h e   g a s i f i e r   a r e   m o d e l l e d .   F u r t h e r m o r e ,   a   R I C E   m o d e l   h a s   b e e n   a d a p t e d   t o   i n c l u d e   t h e   g a s   g e n e r a t e d   b y   t h e   g a s i f i e r   a s   i n p u t .   T h e   g l o b a l   m o d e l   i s   d e v e l o p e d   i n   M a t l a b - S i m u l i n k   b a s e d   o n   a   r e a l   d o w n d r a f t   g a s i f i e r   i n s t a l l e d   i n   N e c o c l í   ( C o l o m b i a )   w h e r e   t h e   m o d e l   h a s   b e e n   v a l i d a t e d   b y   a n a l y z i n g   t h e   o p e n   l o o p   r e s p o n s e .     F i n a l l y ,   a   c a s c a d e   c o n t r o l   i s   p r o p o s e d   t o   c o n t r o l   t h e   f r e q u e n c y   o f   t h e   r u r a l   m i c r o g r i d ,   s o   t h a t   o v e r s h o o t   a n d   s e t t l i n g   t i m e   a r e   m i n i m i z e d .   W i t h   t h i s   c o n t r o l   a r c h i t e c t u r e ,   t h e   v a l v e   p o i n t   i s   d i f f e r e n t   f o r   e a c h   l e v e l   o f   l o a d   a n d   t h e   b l o w e r   f r e q u e n c y   i s   a t   t h e   n o m i n a l   p o i n t   t h a t   i m p r o v e s   t h e   s t a b i l i t y   o f   t h e   g a s i f i e r   i n   s t e a d y   s t a t e .       A C K N O W L E D G E M E N T S   T h i s   r e s e a r c h   w o r k   h a s   b e e n   p o s s i b l e   w i t h   t h e   s u p p o r t   o f   t h e   I n s t i t u t o   d e   P l a n i f i c a c i ó n   d e   S o l u c i o n e s   E n e r g é t i c a s   d e   C o l o m b i a   I P S E ,   a n d   t h r o u g h   t h e   s u p p o r t   o f   t h e   I n s t i t u t e   f o r   E n e r g y   E n g i n e e r i n g   o f   t h e   U n i v e r s i d a d   P o l i t é c n i c a   d e   V a l e n c i a .       R E F E R E N C E S   [ 1 ]   U m a r   U ,   F i r d a u s   F ,   S o e p r i j a n t o   A ,   P e n a n g s a n g   O .   O p t i m a l   E x p e n d i t u r e   a n d   B e n e f i t   C o s t   B a s e d   L o c a t i o n ,   S i z e   a n d   T y p e   o f   D g s   i n   M i c r o g r i d s   S y s t e m s   U s i n g   A d a p t i v e   R e a l   C o d e d   G e n e t i c   A l g o r i t h m ,   T E L K O M N I K A   ( T e l e c o m m u n i c a t i o n ,   C o m p u t i n g ,   E l e c t r o n i c s   a n d   C o n t r o l ) ,   1 6 ( 1 ) :   1 0 - 1 7 ,   2 0 1 8 .   [ 2 ]   Z h u   J ,   P a n   W   X .   I n t e l l i g e n t   C o n t r o l   o f   W i n d / P h o t o v o l t a i c   M i c r o g r i d   I n f o r m a t i o n   F u s i o n ,   T E L K O M N I K A   ( T e l e c o m m u n i c a t i o n ,   C o m p u t i n g ,   E l e c t r o n i c s   a n d   C o n t r o l ) .   1 5 ( 1 ) :   2 6 4 - 2 7 2 ,   2 0 1 7 .   [ 3 ]   O s p i n o   A ,   M u ñ o z   Y .   E v a l u a t i o n   o f   H y b r i d   S y s t e m   o f   R e n e w a b l e   E l e c t r i c i t y   G e n e r a t i o n   f o r   A   R e m o t e   A r e a   o f   C o l o m b i a   U s i n g   H o m e r   S o f t w a r e ,   T e c c i e n c i a .   9 :   5 7 - 6 7 ,   2 0 1 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.