Caracterización Mecánica y Eléctrica
de un Sistema de Almacenamiento
Rápido para su Operación en una
Microrred
Gustavo Navarro Soriano
CIEMAT
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.
•
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
Ventajas en la Elección de un Sistema de Almacenamiento en
Microrredes
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
Los posibles sistemas de almacenamiento que se pueden emplear en una microrred son:
- Plantas de Bombeo - Baterías - Volantes de Inercia -Ultracondensadores
Sistemas de Almacenamiento en Microrredes y Parámetros a tener en
cuenta en su elección
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.
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
Comandos Externos
Concepto General de un Volante de Inercia
Hacia red/Bus DC Rodamiento Sup Llanta Magnética Volante Rodamiento Inf
• 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
Ventajas Sistemas de Almacenamiento Cinéticos de Energía
frente a otros Sistemas de Almacenamiento
Desarrollos del CIEMAT en volantes de inercia
OMEGA-PLUS. ACE2 ENERGÍA 200MJ
POTENCIA TOTAL 350 kVA
DC VOLTAGE. 1000 V
RPM 6.600
OMEGA ENERGÍA 5MJ
POTENCIA TOTAL 120 kVA
TENSIÓN DC. 1000 V
RPM 9.600
OMEGA-MOTOR ENERGÍA
-POTENCIA TOTAL 120 kVA
TENSIÓN DC 1000 V RPM 9.600 Primer Prototipo de un Sistema de Almacenamiento Cinético de Energía (1999) SEDUCTOR Generación Eólico-Diesel. 2001 2010 SA2VE: Subestación Ferrovoaria. Ahorro de Energía. 2011 ACEBO:Aplicación en Renovables y Microrredes ACEBO ENERGÍA 10MJ POTENCIA TOTAL 25 kW TENSIÓN DC 1000 V RPM 13.000
Después de la experiencia en proyectos previos con volante
de inercia….
1. La Tecnología tiene que ser robusta y competitiva con otras tecnologías de almacenamiento (baterías y ultracondensadores).
2. Implementaciónfácily debajo coste.
3. Altadensidad de Energía y Potencia e independencia entre ellas.
4. Modularidad y Flexibilidaden el diseño y las aplicaciones.
5. Integración con la mecánica de la electrónica de potencia y su control.
6. Fácilmantenimiento con coste de operación reducido.
7. Reducción de pérdidas cuando el sistema no esta en operación (giro en inercia) tienen que ser reducidas lomáximoposible 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
tensióny regulación defrecuencia.
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:
Una vez seleccionado el rango de potencia y energía, se dimensiona el volante de inercia y se definen los rodamientos.
Descripción de la tecnología del ACEBO (I)
La máquina eléctrica se elige para cumplir con los requerimientos (potencia y velocidad).
Energía Total 7,9 MJ (2,2 kWh) Potencia Máxima 25 kW Tensión Nominal 1,000 V
Máxima RPM 10,000
Tabla de Características Máquina Eléctrica y Volante
Descripción de la tecnología del ACEBO (II)
Integración de la máquina eléctrica, el
volante de inercia, la electrónica de
potencia y su control en el mismo
alojamiento.
Batería mecánica modular.
Volante de Inercia
Máquina Eléctrica Electrónica de Potencia y su Control
+
-Módulo N
Módulo 1 Módulo 2
Señales de Conmutación PWM Medida Analógica de Corrientes Alarmas IGBT Me d id a A n al ó g ic a d e Te n sio n e s Medidas de Temperatura TOPOLOGÍA EN MEDIO
PUENTE PARA CONTROLAR
LA CORRIENTE EN LA
MÁQUINA
Comandos de Control
Descripción de la tecnología del ACEBO (III)
Udc 0 1 2 3 4 5 x 10-3 -50 0 50 100 150 CORRIENTES t (seg) I (A )
• 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. 3 Out3 2 Out2 1 Out1 -K-rpm -> rad/s Continuous pow ergui I_nom v + -V_dc F w (rpm) VOLANT E DE INERCIA Selector In In' Out Out' P3 In In' Out Out' P2 In In' Out Out' P1 w(rpm) F_maq angulo eq. (1,2,3) I (1,2,3) 1 1' 2 2' 3 3' MÁQUINA DE RELUCTANCIA Multimetro Disparos V+ V-1 1' 2 2' 3 3' Inversor Lado Maquina i + -I_dc I_dc V_dc w F k_I I* I angulo eq. w Disparos Control de corriente Maquina de reluctancia Bus DC w F
SRM
Inversor
Control
0 100 200 0 50 100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 I (A ) Á ngulo (º) φ 200 0 100 200 0 50 10 0 -50 0 50 N (A ) Á ngulo (º) P a r * Implementado en MATLAB-Simulink© 0 0.5 1 -3 -2 -1 0 1 2 3x 10 4 Pe le c ν (p.u.)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
Tiempos de Generación de Potencia
Área de Operación
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.
Caracterización del ACEBO (I)
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.
Eficiencia
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 P(W)
Pérdidas Mecánicas (Pmech) 210 W
Consumo del Control (Pcontrol) 150 W
Potencia Media Pérdidas Eléctricas (Pacc) 30 W
Potencia Media Pérdidas (Pmaint) 390W
Eficiencia a diferentesporcentajes de la corriente nominal
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ܧ é
Eeléctrica: Energíaeléctricausadaenel proceso de deceleración.
Emecánica_almacenada: EnergíaCinéticaalmacendaen el volante de inercia.
Caracterización del ACEBO (II)
Tiempo de Aceleración y Autodescarga
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.
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
Funcionalidad del ACEBO: Consignas de P y Q
Convertidor
Conexión a
Red
ACEBO
Consigna P>0
Consigna Q>0
Consigna P<0
Consigna Q<0
Consumo
desequilibrado
de las cargas
Corrientes del inversor
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.
Funcionalidad del ACEBO: Cargas Desequilibradas
Almacenamiento de Energía Carga Desequilibrada A C E B O
Corrientes de Red
0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400
TRANSITORIO DE LA TENSION EN LA CARGA CUANDO DESAPARECE LA RED
T iem p o(m s ) T e n s io n C a rg a (V )
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.
Funcionalidad del ACEBO: Operación Aislado de Red
Almacenamiento de Energía Consumo de Cargas 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 200 250 300 350 Tiempo (s) T e n s ió n ( V )
TEN SIÓN EN LA C AR GA C U AN D O EL SISTEMA AC E FU N C ION A AISLAD O TEN SIÓN EN LA C AR GA C U AN D O EL SISTEMA AC E FU N C ION A AISLAD O TEN SIÓN EN LA C AR GA C U AN D O EL SISTEMA AC E FU N C ION A AISLAD O TEN SIÓN EN LA C AR GA C U AN D O EL SISTEMA AC E FU N C ION A AISLAD O
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
