Caracterización Mecánica y Eléctrica de un Sistema de

Caracterización Mecánica y Eléctrica
de un Sistema de Almacenamiento
Rápido para su Operación en una
Microrred
Gustavo Navarro Soriano
CIEMAT
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Necesidad de Sistemas de Almacenamiento en Microrredes
Las necesidades de generación y demanda de potencia eléctrica no son las mismas de forma
instantánea, y menos con la introducción de energías renovables para la generación de electricidad.
Las microrredes permiten distribuir la generación de potencia eléctrica disminuyendo el
dimensionado de la red facilitando el almacenamiento de energía para estabilizar la misma y darle
autonomía en la mayoría de su periodo de operación.
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Ventajas en la Elección de un Sistema de Almacenamiento en
Microrredes
•
Abaratar el precio de la electricidad
•
Capacidad de generación
•
Reducción y Apoyo a la red de Transporte
•
Calidad de Red
•
Incrementar los beneficios de la Generación Distribuida
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Sistemas de Almacenamiento en Microrredes y Parámetros a tener en
cuenta en su elección
Los posibles sistemas de almacenamiento que se pueden emplear en una microrred son:
- Plantas de Bombeo
- Baterías
- Volantes de Inercia
-Ultracondensadores
Los parámetros a tener en cuenta en la elección de un Sistema de Almacenamiento:
• Cantidad de Energía capaz de almacenar
• Velocidad de Carga y Descarga
• Potencia eléctrica
• Tipo de fluctuaciones a compensar
• Períodos de Almacenamiento
• Ubicación y Condiciones ambientales
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Concepto General de un Volante de Inercia
Un Sistema de Almacenamiento Cinético de Energía (ACE) consiste en almacenar
energía en una masa rotatoria, llamada volante de inercia, que es controlada por una
máquina eléctrica. Esta máquina intercambia potencia con la red a través de dos
convertidores de potencia conectados a una etapa de continua.
Desde
red/Bus DC
Hacia
red/Bus DC
Comandos
Externos
Llanta
Magnética
Rodamiento
Sup
Rodamiento
Inf
Volante
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Ventajas Sistemas de Almacenamiento Cinéticos de Energía
frente a otros Sistemas de Almacenamiento
•
Desacoplo entre los valores de diseño de potencia y energía
•
Nº “ilimitado” de ciclos de carga/descarga
•
Buen comportamiento a Tª
•
Fácil conocimiento del estado de carga
•
Mayor densidad de potencia
•
Menor mantenimiento
•
Bajo tiempo de arranque
•
Bajo impacto ambiental
•
Modularidad
6
6
Desarrollos del CIEMAT en volantes de inercia
2010 SA2VE: Subestación
Ferrovoaria. Ahorro de
Energía.
OMEGA-PLUS. ACE2
ENERGÍA
POTENCIA TOTAL
SEDUCTOR Generación
Eólico-Diesel. 2001
DC VOLTAGE.
RPM
Primer Prototipo de un
Sistema de Almacenamiento
Cinético de Energía (1999)
200MJ
350 kVA
1000 V
6.600
2011 ACEBO:Aplicación
en Renovables y
Microrredes
ACEBO
OMEGA
OMEGA-MOTOR
ENERGÍA
POTENCIA TOTAL
TENSIÓN DC
RPM
ENERGÍA
ENERGÍA
5MJ
POTENCIA TOTAL
120 kVA
120 kVA
TENSIÓN DC.
1000 V
1000 V
RPM
9.600
9.600
7
10MJ
POTENCIA TOTAL
25 kW
TENSIÓN DC
1000 V
RPM
13.000
Después de la experiencia en proyectos previos con volante
de inercia….
En 2010 CIEMAT comenzó el proyecto ACEBO (Sistema de Almacenamiento Cinético de Bajo
Coste), un volante de inercia de segunda generación, que está basado en los siguientes
conceptos:
1. La Tecnología tiene que ser robusta y competitiva con otras tecnologías de almacenamiento
(baterías y ultracondensadores).
2. Implementación fácil y de bajo coste.
3. Alta densidad de Energía y Potencia e independencia entre ellas.
4. Modularidad y Flexibilidad en el diseño y las aplicaciones.
5. Integración con la mecánica de la electrónica de potencia y su control.
6. Fácil mantenimiento con coste de operación reducido.
7. Reducción de pérdidas cuando el sistema no esta en operación (giro en inercia) tienen que ser
reducidas lo máximo posible para mejorar la eficiencia global.
8. Convertidor de red adicional para atender a consignas de P y Q dadas por un control externo,
operar bajo condición de cargas desequilibradas, aislado de red o para apoyo en caídas de
tensión y regulación de frecuencia.
8
8
Descripción de la tecnología del ACEBO (I)
Una vez seleccionado el rango de
potencia y energía, se dimensiona
el volante de inercia y se definen
los rodamientos.
La máquina eléctrica se elige para
cumplir con los requerimientos
(potencia y velocidad).
Energía Total
Tabla de Características Máquina
Eléctrica y Volante
7,9 MJ (2,2 kWh)
Potencia Máxima
25 kW
Tensión Nominal
1,000 V
Máxima RPM
10,000
9
9
Descripción de la tecnología del ACEBO (II)
Electrónica de Potencia y su Control
Integración de la máquina eléctrica, el
volante de inercia, la electrónica de
potencia y su control en el mismo
alojamiento.
Batería mecánica modular.
Máquina
Eléctrica
Volante de Inercia
+
-
Módulo 1
Bus DC
Módulo 2
Módulo N
10
10
Descripción de la tecnología del ACEBO (III)
TOPOLOGÍA
EN
MEDIO
PUENTE PARA CONTROLAR
LA CORRIENTE EN LA
MÁQUINA
Señales de Conmutación PWM
Comandos
de Control
Udc
Alarmas IGBT
CORRIENTES
I (A)
100
50
Medida Analógica de
Corrientes
0
-50
0
1
2
3
t (seg)
4
5
Medidas de Temperatura
-3
x 10
11
Medida Analógica de Tensiones
150
Descripción de la Tecnología del ACEBO (IV)
Control
Continuous
pow ergui
k_I
I*
I_nom
I
Disparos
angulo eq.
rpm -> rad/s
Multimetro
w
-K-
w
Control de corriente
Maquina de reluctancia
w
w (rpm)
F
VOLANTE DE INERCIA
w(rpm)
F_maq
1
In Out
1
1'
In'Out'
1'
1
F
Out1
F
Disparos
3
P1
2
In Out
2
2'
In'Out'
2'
x 10
4
angulo eq. (1,2,3)
V+
Bus DC
+
v
-
+
2
V_dc
V_dc
P2
I_dc
i
-
Out2
2
3
In Out
3
3'
In'Out'
3'
I (1,2,3)
V-
3
1
Out3
I_dc
MÁQUINA DE
RELUCTANCIA
elec
Inversor
P3
Selector
SRM
0
P
Inversor
Lado Maquina
-1
-2
50
0.4
-3
Par
0.3
φ
• Modelo del ACEBO (basado
en cálculos con FEM).
• Validación de la Electrónica
de Potencia y su control con
simulación.
• Optimización
de
las
estrategias
de
control.
Ángulos de conmutación de
fases para obtener la
máxima potencia en todo el
rango de trabajo de
velocidad.
* Implementado en MATLAB-Simulink©
0.2
0
0.5
1
ν (p.u.)
0
0.1
-50
10 0
0
100
200200
50
Á ngulo (º)
100
0
0
I (A )
200
50
Á ngulo (º)
100
0
0
N (A )
12
12
13
13
Características Principales
Potencia Nominal @ Condiciones Normales
21 kW
Potencia Nominal @ Condiciones de Sobrecarga
25 kW
Maxima Energía Disponible @ Condiciones Normales
4 MJ (1,1 kWh)
Maxima Energía Disponible @ Condiciones Sobrecarga
7,9 MJ (2,2 kWh)
Temperatura Rango de Operación
[ -20, 40]⁰C
Conexión a Red
400 V Trifásico
Rango de Velocidad
[6.000, 9.000] rpm
Rango Presión Operación
1-5 mbar
Peso Total (Máquina + Electrónica Potencia)
900 kg
Volumen Total (Máquina + Electrónica Potencia)
0,58 m3
Motor/Generator
Tipo
Máquina Reluctancia Conmutada (SRM)
Numero Fases
3
Numero Polos
6 Estator; 4 Rotor
Tensión bus DC
700 V
Maxima Corriente Fase
125 A
Electrónica Potencia
IGBTs en Medio Puente por fase
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Caracterización del ACEBO (I)
Tiempos de Generación de Potencia
Tiempos de generación de potencia para
diferentes niveles de potencia (sin
sobrecargar la máquina). Por ejemplo, el
sitema puede enviar 10 kW a la red
durante aproximadamente 5 minutos.
Área de Operación
Área de Operación de la máquina en el rango de velocidad de trabajo
para diferentes valores de corriente constante en la máquina.
La reserva disponible de energía es la energía cinética almacenada en el
volante a la velocidad de 6000 rpm. Esta cantidad de energía podría ser
usada en condiciones de sobrecarga con niveles de potencia de
generación reducidos.
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Caracterización del ACEBO (II)
Tiempo de Aceleración y Autodescarga
El volante de inercia se mantienen entre el 90% y el
100% del estado de carga , que corresponde al rango de
velocidad entre 8700 y 9000 rpm, esperando a
suministrar potencia a la carga. El sistema require una
potencia media de 390W para mantenerse en ese estado
de carga.
Pérdidas
Eficiencia
P(W)
Pérdidas Mecánicas (Pmech)
Consumo del Control (Pcontrol)
Potencia Media Pérdidas Eléctricas (Pacc)
210 W
150 W
30 W
Potencia Media Pérdidas (Pmaint)
390W
Eficiencia a diferentesporcentajes de la corriente
nominal
‫ ݂ܽ݅ܿ݊݁݅ܿ݅ܧ‬ൌ
‫ܧ‬á_
‫ܧ‬é
Eeléctrica: Energíaeléctricausadaenel proceso de deceleración.
Emecánica_almacenada: EnergíaCinéticaalmacendaen el volante de inercia.
SOC (%I(A))
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Área de Pruebas del ACEBO en CIEMAT
ACEBO durante las pruebas en
el laboratorio del CIEMAT. La
instalación incluye un foso de
seguridad y una sala de control
aislada.
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Funcionalidad del ACEBO: Consignas de P y Q
El convertidor del lado de red atiende a consignas de P y Q dadas por un control
externo cada cierto tiempo. En este modo el sistema es capaz de aportar potencia
activa y reactiva en los cuatro cuadrantes en el punto de conexión de la microred.
Red
Consigna P>0
Consigna Q>0
Convertidor
Conexión a
Red
Consigna P<0
Consigna Q<0
ACEBO
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Funcionalidad del ACEBO: Cargas Desequilibradas
El convertidor del lado de red permite la operación cuando se conectan cargas desequilibradas
proporcionando corriente desde las diferentes fases para compensar el consumo desequilibrado de
la carga. De esta manera, la red suministra una potencia equilibrada al sistema.
Esto es especialmente importante en redes muy débiles donde las tensiones de fases pueden ser
modificadas cuando hay consumos desequilibrados.
Corrientes del inversor
ACEBO
Corrientes de Red
Carga
Desequilibrada
Almacenamiento de
Energía
Consumo
desequilibrado
de las cargas
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Funcionalidad del ACEBO: Operación Aislado de Red
En el caso del empleo del ACEBO como respaldo a la caída de tension y
frecuencia es especialmente importante cuando el Sistema funciona en modo
aislado.
TEN SIÓN EN LA C AR GA C U AN D O EL SISTEMA AC E FU N C ION A AISLAD O
350
300
Tensión (V)
Almacenamiento de
Energía
250
200
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Tiempo (s)
0.1
0.12
0.14
0.16
TRANSITORIO DE LA TENSION EN LA CARGA CUANDO DESAPARECE LA RED
400
300
200
Consumo de
Cargas
TensionCarga(V)
100
0
-100
-200
-300
-400
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
T iem p o(m s )
20
0.06
0.065
0.07
Aplicaciones potenciales del ACEBO
CAMPO APLICACIÓN
DESCRIPCIÓN
Transporte
Incrementar el pico de potencia, estabilización de la potencia de la línea,
gestión de energía y frenado regenerative
Estabilidad de Red
Apoyo de picos de consumo potencia para fuertes cargas, regulación de
frecuencia y de tension (respaldo potencia reactiva)
Generacion de Potencia
Arranque de grandes generadores y respaldo de potencia durante transitorios.
Energías Renovables
PV Solar: Alisado de potencia durante transitorios (nubes)
Eólica: Alisado de potencia durante transitorios (rachas de viento)
Eólica Aislada: Arranque/Parada de Motores Diesel
Energía Undimotriz: Alisado de oscilaciones de potencia de baja frecuencia
Cargas Críticas
Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI) para cargas de gran potencia
durante cortos períodos de tiempo.
Eficiencia de Energía
Incrementar la eficiencia de sistemas eléctricos industriales reversible (grúas
y ascensores)
Microrredes
Estabilidad y Controlabilidad de los Sistemas de Generación Distribuida
Sistemas de
Almacenamiento Híbrido
Combinación de este Sistema de Almacenamiento rápido de energía con
baterías
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Muchas gracias
Gustavo Navarro Soriano
gustavo.navarro@ciemat.es