utilización de almacenamiento de energía basado en volantes de

UTILIZACIÓN DE ALMACENAMIENTO DE
ENERGÍA BASADO EN VOLANTES DE INERCIA
PARA LA GESTIÓN ENERGÉTICA DE
MICROREDES
Marcos Lafoz
CIEMAT. Madrid
Microredes y almacenamiento
Red eléctrica
convencional
Transmission
and
distribution
Transmission
and
distribution
La alta penetración de generación mediante
renovables y la no predictibilidad preocupa al
operador del sistema (TSO). Se proponen reglas
para asegurar la seguridad y la calidad de la
potencia de la red.
Red eléctrica
completamente gestionable
Tipos de almacenamiento de energía
Hidrobombeo
Aire comprimido
Baterías
Superconducting Magnet
Energy Storage (SMES)
Almacenamiento
químico
Volantes de
inercia
Ultracondensadores
1
E = ⋅ J ⋅ Ω2
2
El volante de inercia
eM = ζ·σ
σ/ρ
ρ
eV = ζ·σ
σ
M/G
•
•
•
•
•
Convertidor
lado
máquina
Convertidor
lado red
Son una buena opción para altas potencias.
Las densidades de potencia y energía son elevadas
Potencia y energía se pueden seleccionar
independientemente
La carga y descarga se realiza muy rápidamente y admite
frecuencias altas
El número de ciclos de carga-descarga es muy elevado
σ es la carga de rotura del material
ζ un factor geométrico
(disco:0,61, anillo:0,3)
MATERIAL
σ
ρ
(MPa)
(Kg/m3)
eM
(kJ/Kg)
ACERO (AISI 4340)
1800
7800
140
ALEACIÓN (AlMnMg)
600
2700
135
TITANIO (TiAl62r5)
1200
4500
162
FIBRA VIDRIO (60%)
1600
2000
485
FIBRA CARBONO (60%)
2400
1500
970
Volantes rápidos y lentos
Estado del arte en volantes de inercia
20 MW plant
BEACON POWER:
Power : 100 kW
Energy : 90 MJ
ACTIVE POWER:
Power : 500 kW
Energy : 6.5 MJ
PILLER:
Power: 1670 kW
Energy : 20 MJ
BLUEPRINTENERGY
Power: 120 kW
Energy : 0.75 KwH
PENTADYNE
Power: 120 kW
Energy : 2,4 MJ
VYCON
Power: 120 kW
Energy : 2,4 MJ
URENCO:
Power: 200 kW
Energy : 5,2 MJ
Aplicaciones en UPS,
transporte y energía
Desarrollos del CIEMAT en volantes de inercia
2010 SA2VE: Railway
substation. Energy
saving.
OMEGA-PLUS. ACE2
ENERGY
TOTAL POWER
SEDUCTOR Wind-Diesel
Generation. 2001
DC VOLTAGE.
RPM
First prototype of
Kinetic energy storage
device (1999)
200MJ
350 kVA
1000 V
6.600
2011 ACEBO:
Renewable and
SmartGrid applications
ACEBO
OMEGA
ENERGY
OMEGA-MOTOR
ENERGY
ENERGY
TOTAL POWER
DC VOLTAGE
TOTAL POWER
120 kVA
DC VOLTAGE.
1000 V
120 kVA
1000 V
RPM
RPM
5MJ
9.600
9.600
10MJ
TOTAL POWER
25 kW
DC VOLTAGE
1000 V
RPM
13.000
ACEBO. Descripción de la tecnología (I)
Características técnicas
Máquina eléctrica
Potencia
6/4 SRM
25 kW
Velocidad máxima
10,000 rpm
Capacidad energía
9 MJ
Peso
Dimensiones externas
900 Kg
Base:700x700 mm
Altura: 800 mm
Electrónica de
potencia y control
Máquina eléctrica
Volante de inercia
Conjunto volante, máquina
eléctrica y electrónica de
potencia lado máquina
Inversor de
conexión a red
ACEBO. Descripción de la tecnología (II)
Diseño electromagnético
para la máquina
eléctrica
Diseño mecánico para el
volante de inercia,
rodamientos y rotor.
Estudio de pérdidas.
Reducción de la
presión en la cámara
del volante y rotor
ACEBO. Descripción de la tecnología (III)
Convertidor electrónico
Topología de medio
puente bidireccional para
el convertidor electrónico
de la máquina
Señales de
comutación PWM
Alarmas IGBT
+
Interfaces de señal
Medidas de
Temperatura
Medida analógicas
De tensión
Medidas analógicas
de corriente
ACEBO. Descripción de la tecnología (IV)
CORRIENTES
150
I (A)
100
50
0
-50
0
1
2
3
t (seg)
Entorno de operación y monitorización
remoto utilizado para el control del
dispositivo
4
5
-3
x 10
Formas de onda de las corrientes de la
máquina de reluctancia conmutada (SRM).
El convertidor DC/AC permite la inyección
de corrientes sinusoidales a la red.
Circuito eléctrico equivalente
dΩ
Telect = J · + Trod + Taerod + Tperd_ elect
dt
I elect*
s
Irod
s
X
Peolica
Iaerod
2
I elect
s
Iperd_elect
I
dU
= C·
+ K 1 ·U 3 + K 2 ·U 2 + K 4 · elect
dt
U
Palmacenador
V_min*
Pred
PI
Psolar
Pcons um o
C
s
Pred *
V _m ax *
X
Ielect *
Funcionalidad regulando frecuencia y tensión
Red
+
DC-link
común a
otros
dispositivos
en paralelo
Convertidor de
conexión a red
Generación
Consumos
El volante, junto con el convertidor electrónico de
conversión a red permite proporcionar potencias activa y
reactiva a la red en base a consignas dadas por el control
propio o por un sistema de control de planta centralizado.
Funcionalidad regulando frecuencia y tensión
TENSIÓN Y CORRIENTE EN LA CARGA
400
Tension-carga(V)
Corriente-carga(A)
300
T
e
n
s
ió
n
-C
o
rrie
n
te
-c
a
rg
a
El caso de regulación de frecuencia y
tensión es especialmente crítico cuando
parte de la red pasa a funcionar en isla,
aislada del resto.
TRANSITORIO DE LA TENSION EN LA CARGA CUANDO DESAPARECE LA RED
200
100
0
-100
-200
-300
400
-400
300
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Tiempo(s )
200
TENSION EN LA CARGA EN EJES d-q
350
300
0
250
-100
-200
-300
-400
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
0.045
0.05
0.055
0.06
0.065
0.07
T
e
n
sió
n
-ca
rg
a
(V
)
TensionCarga(V)
100
200
150
100
T ie m p o (m s )
50
Transición de tensión en la carga cuando
deja de existir red y la genera el inversor
0
-50
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Tiempo(s)
Tensión y Corriente en la carga y módulo
de la tensión pico en la red en el momento
del reenganche
Funcionalidad desequilibrios entre fases
El convertidor de conexión a red permite la posibilidad de una gran flexibilidad ante las
cargas eléctricas y variables en el nudo de conexión. Un ejemplo de esto es la posibilidad
de compensar desequilibrios entre fases, haciendo que la potencia de consumo de la
red sea equilibrada.
Red
CORRI ENTES DE SALI DA DEL I NVERSOR
60
IA in vers o r
IB in vers o r
IC invers o r
50
40
30
I inversor(A)
20
Consumo
10
0
- 10
- 20
- 30
- 40
- 50
5 .4
5 .4 1
5.42
5 .4 3
5.44
5 .4 5
Tiem po(s )
5 .46
5 .4 7
5 .48
5 .4 9
5 .5
Almacenamiento
Otras funciones …
- Reducción de oscilaciones en generación eólica o solar
- Compensación de armónicos de la red
- Aporte de potencia ante cortocircuitos para mantener la tensión
8 0 0 0
7 0 0 0
Día soleado
Referencia
media
6 0 0 0
5 0 0 0
Día nublado
4 0 0 0
3 0 0 0
2 0 0 0
1 0 0 0
0
0
0 .5
1
1 .5
2
2 .5
3
3 .5
4
4 .5
5
x
1 0
4
Muchas gracias
Marcos Lafoz
marcos.lafoz@ciemat.es
Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales
y Tecnológicas