Caracterización Mecánica y Eléctrica de un Sistema de Almacenamiento Rápido para su Operación en una Microrred. Gustavo Navarro Soriano CIEMAT

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1 Caracterización Mecánica y Eléctrica de un Sistema de Almacenamiento Rápido para su Operación en una Microrred Gustavo Navarro Soriano CIEMAT 1

2 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. 2

3 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 3

4 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 4

5 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 Rodamiento Inf Llanta Magnética Rodamiento Sup Volante 5

6 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

7 Desarrollos del CIEMAT en volantes de inercia 2010 SA2VE: Subestación Ferrovoaria. Ahorro de Energía. OMEGA-PLUS. ACE2 ENERGÍA 200MJ Primer Prototipo de un Sistema de Almacenamiento Cinético de Energía (1999) SEDUCTOR Generación Eólico-Diesel POTENCIA TOTAL 350 kva DC VOLTAGE V RPM ACEBO:Aplicación en Renovables y Microrredes OMEGA-MOTOR ENERGÍA - POTENCIA TOTAL 120 kva TENSIÓN DC 1000 V RPM OMEGA ENERGÍA 5MJ POTENCIA TOTAL 120 kva TENSIÓN DC V RPM ACEBO ENERGÍA 10MJ POTENCIA TOTAL 25 kw TENSIÓN DC 1000 V RPM

8 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

9 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). Tabla de Características Máquina Eléctrica y Volante Energía Total 7,9 MJ (2,2 kwh) Potencia Máxima 25 kw Tensión Nominal 1,000 V Máxima RPM 10,

10 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 + - Bus DC Volante de Inercia Módulo 1 Módulo 2 Módulo N 10 10

11 Descripción de la tecnología del ACEBO (III) TOPOLOGÍA EN MEDIO PUENTE PARA CONTROLAR LA CORRIENTE EN LA MÁQUINA Udc Señales de Conmutación PWM Alarmas IGBT Comandos de Control I (A) CORRIENTES t (seg) x 10-3 Medida Analógica de Corrientes Medidas de Temperatura Medida Analógica de Tensiones 11

12 Descripción de la Tecnología del ACEBO (IV) Modelo del ACEBO (basado Control Continuous en cálculos con FEM). pow ergui I* k_i I_nom I Validación de la Electrónica Disparos angulo eq. de Potencia y su control con rpm -> rad/s Multimetro w -K- w simulación. Control de corriente Maquina de reluctancia w w (rpm) F Optimización de las VOLANTE DE INERCIA estrategias de control. w(rpm) Ángulos de conmutación de F_maq 1 F 1 In Out 1 Out1 fases para obtener la Disparos F 1' In' Out' 1' máxima potencia en todo el P1 2 In Out 2 angulo eq. (1,2,3) V+ rango de trabajo de + 2' In' Out' 2' v - Bus DC V_dc V_dc P2 I_dc Out2 velocidad. 3 In Out 3 i 2 I (1,2,3) I_dc * Implementado en MATLAB-Simulink V- 3' Inversor Lado Maquina In' Out' P3 3' SRM MÁQUINA DE RELUCTANCIA Selector Out3 P elec 3 x φ Par ν (p.u.) Á ngulo (º) I (A ) Á ngulo (º) N (A )

13 13 13

14 Características Principales Potencia Condiciones Normales 21 kw Potencia Condiciones de Sobrecarga 25 kw Maxima Energía Condiciones Normales 4 MJ (1,1 kwh) Maxima Energía 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 14

15 Caracterización del ACEBO (I) 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. 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

16 Caracterización del ACEBO (II) Tiempo de Aceleración y Autodescarga 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 Pérdidas Mecánicas (P mech ) Consumo del Control (P control ) Potencia Media Pérdidas Eléctricas (P acc ) Potencia Media Pérdidas (P maint ) P(W) 210 W 150 W 30 W 390W Eficiencia a diferentesporcentajes de la corriente nominal á _ é SOC (%I(A)) E eléctrica : Energíaeléctricausadaenel proceso de deceleración. E mecánica_almacenada : EnergíaCinéticaalmacendaen el volante de inercia

17 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

18 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. Consigna P>0 Consigna Q>0 Red Convertidor Conexión a Red Consigna P<0 Consigna Q<0 ACEBO 18 18

19 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 de Red Corrientes del inversor ACEBO Almacenamiento de Energía Carga Desequilibrada Consumo desequilibrado de las cargas 19 19

20 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. TENSIÓN EN LA CARGA CUANDO EL SISTEMA ACE FUNCIONA AISLADO 350 Almacenamiento de Energía Tensión (V) Tiempo (s) TRANSITORIO DE LA TENSION EN LA CARGA CUANDO DESAPARECE LA RED Consumo de Cargas Tension Carga(V) Tiem po(ms) 20

21 Aplicaciones potenciales del ACEBO CAMPO APLICACIÓN Transporte Estabilidad de Red Generacion de Potencia Energías Renovables Cargas Críticas Eficiencia de Energía Microrredes Sistemas de Almacenamiento Híbrido DESCRIPCIÓN Incrementar el pico de potencia, estabilización de la potencia de la línea, gestión de energía y frenado regenerative Apoyo de picos de consumo potencia para fuertes cargas, regulación de frecuencia y de tension (respaldo potencia reactiva) Arranque de grandes generadores y respaldo de potencia durante transitorios. 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 Sistema de Alimentación Ininterrumpida (SAI) para cargas de gran potencia durante cortos períodos de tiempo. Incrementar la eficiencia de sistemas eléctricos industriales reversible (grúas y ascensores) Estabilidad y Controlabilidad de los Sistemas de Generación Distribuida Combinación de este Sistema de Almacenamiento rápido de energía con baterías 21 21

22 Muchas gracias Gustavo Navarro Soriano

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