Giovanna Santamaría R&D Engineer i-sare: La Red Inteligente de Gipuzkoa
Índice Escenario Actual y Retos de la red Eléctrica Coyuntura actual Nuevo Concepto de Red Eléctrica Retos para las Smart Grid Diseño de una Red Inteligente: i-sare Topologías: Conexión en AC vs Conexión en DC Diseño de isare Tipos de convertidores AC-DC, AC-DC-AC (Full Converters) Centro de control y sus módulos: EPICS e IOCs Control de la micro red Control automático de la generación AGC Integración del Edificio en la Smart-Grid Edificio Inteligente 2
Marco Actual Energía Eléctrica Servicio básico para la sociedad Motor de la industria 17% de la energía consumida en todo el país corresponde a las viviendas Tendencia a ir aumentando el consumo en los hogares, hospitales, hoteles, centros comerciales, El transporte el sector que más energía consume en España Necesario rebajar ese consumo con medidas tales: Integración de energías renovables en los edificios Uso eficiente de la electricidad Desarrollo de infraestructuras que permitan una mejor gestión de la información dentro de la red eléctrica. Adaptación a los nuevos usos y necesidades (uso del vehículo eléctrico) 3
Retos de la Red Eléctrica La UE ha marcado 3 Grandes Objetivos para 2020: Reducción del 20% de las emisiones de CO2 Lograr una cota del 20% de Generación de Origen Renovable Mejorar la eficiencia de la Red en un 20% Crecimiento de la Demanda: Dificultades socioeconómicas del Operador del Mercado para ampliar las infraestructuras de la Red de Distribución y Transporte Adaptación a los nuevos usos y necesidades Fuertemente Dependientes de las Materias Primas 4
La realidad es que: Tenemos que ir a un sistema que nos permita no sólo reducir nuestra dependencia de la red eléctrica sino también aprovechar de manera más eficiente la energía Concepto de Smart Grid Sistemas de Generación de Gas Natural Plantas Nucleares Lineas de Trasmisión Almacenamiento balance Centrales Hidroeléctricas Subestaciones de Distribución Consumidores Parques Eólicos Plantas Fotovoltaicas 5
Necesario un nuevo concepto de Red Eléctrica Reducción de las pérdidas del Sistema Eléctrico Adaptación a los nuevos usos y necesidades de consumo Cambio de fuentes e energía convencionales por fuentes limpias Desarrollo de infraestructuras que permitan una gestión más eficiente de la información dentro de la Red Eléctrica Gestión de la Demanda Integración del Vehículo Eléctrico 6
Concepto de Micro-Red Inteligente I Sistema de Generación Bidireccional que permite la Distribución de Electricidad desde los Proveedores hasta los Consumidores, utilizando Tecnología Digital, favoreciendo la Integración de las Fuentes de Generación de Origen Renovable, con el Objetivo de ahorrar Energía, reducir Costes e incrementar la Fiabilidad. 7
Concepto de Micro-Red Inteligente II Elementos de que consta: Sistemas de Generación Distribuida Sistemas de Almacenamiento de Energía Técnicas para la Gestión activa de Cargas Sistemas de recarga para Vehículos Eléctricos. Mantenimiento Preventivo y Predictivo Sistemas de Monitorización y Control del flujo de potencia 8
Riesgos y barreras para la integración de las Smart Grids I Precisa de mayores requerimientos de fiabilidad de suministro Cambio en los flujos tradicionales de energía Dificultades para el control y supervisión de la generación: alto porcentaje de generación distribuida La demanda eléctrica función de los precios de mercado nuevos retos de para la previsión de la demanda La nuevas tecnologías integradas en la red Necesaria la expansión de redes de comunicaciones Conexión bidireccional consumidor-compañía eléctrica Información en tiempo real del precio de la energía Flexibilización del marco normativo y apertura de los mercados eléctricos 9
Riesgos y barreras para la integración de las Smart Grids II Políticas de concienciación social sobre ahorro energético Automatización de la red y Servicios On-line Precisará mayor inversión de potencia gestionable, flexible y complementaria Se deberá acometer inversiones en redes para incrementar la fiabilidad Integración del coche eléctrico en las redes de distribución Preocupación entorno a la seguridad y la protección de datos Actualmente la normativa y regulación actual imponen limitaciones y barreras técnicas para el despliegue de las smart grid 10
Ventajas de una Micro-Red Inteligente I Reducción de los picos de consumo Permite que el excedente de energía sea incorporada a la red El usuario se transforma en generador de electricidad Permite reducir la dependencia de la red eléctrica convencional El usuario / hogar adquiere a su vez múltiples ventajas: Pago por uso Tarifas flexibles Gestión en remoto del suministro de energía Permite el inmueble inteligente Las fuentes de Energía Renovables se caracterizan por ser escalables permiten instalaciones modulares, flexibles, y con tiempos reducidos de instalación, además se pueden construir lo que las hace especialmente indicadas para integrarlas en entornos urbanos. 11
Ventajas de una Micro-Red Inteligente II Permite la implantación de una red térmica paralela que puede ser instalada en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales, debido a la cercanía de las fuentes de generación y consumo. Sistemas de gestión y almacenamiento inteligentes: Permiten aprovechar al máximo las energías renovables Desarrollo del concepto de almacenamiento Aseguramiento de alimentación de las cargas críticas de a micro-red. Coordinación y gestión inteligente de las cargas y de la microgeneración con el Operador del Sistema Durante eventos de la red (faltas, operaciones de mantenimiento,..), las micro-redes pueden desconectarse y operar autónomamente Mejoras en la calidad de la energía eléctrica 12
Ventajas de una Micro-Red Inteligente III Refuerza la integración y despliegue del vehículo eléctrico. La micro-red incrementa la confiabilidad del sistema eléctrico (horas de fallo divididas entre las horas de operación), por lo que beneficia a productores y consumidores de electricidad Coordinación y gestión inteligente de las cargas y de la microgeneración con el Operador del Sistema Se aumenta la independencia respecto a la incertidumbre del precio del petróleo, lo cual incide directamente en el desarrollo de la economía a nivel global La supervisión a distancia del activo en tiempo real permite una mejor programación y mantenimiento preventivo 13
Topologías de Redes Inteligentes Conexión en DC vs Conexión AC Tanto las fuentes renovables, como el almacenamiento, como la casi totalidad de los consumos, incluyendo el vehículo eléctrico, pueden funcionar en DC. 14
Ejemplo de Micro Red Inteligente: Proyecto i-sare Presentación i-sare El objetivo del proyecto es crear una micro red inteligente que sea eficiente, sostenible y segura que sirva de banco de ensayo para desarrollar y experimentar el estado de diferentes tecnologías de generación y almacenamiento. Este proyecto intenta colocar a las empresas vascas a la vanguardia en lo que a redes inteligentes se refiere, ya que ese se vislumbra como el futuro de la ineficiente red eléctrica de distribución actual a nivel mundial. 15
MICROGRID 400 kw 16
Diseño de la micro-red 20kW 20kW 10kW 10kW 10h 5h 20kW/ 25 60kW 5kW /1h 100kW /20 150kW 17
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Elementos de la micro red a instalar Energía Renovable Generación Fotovoltaica (paneles ThinFilm) Generación Fotovoltaica (paneles Orgánicos) Generación Eólica de eje Vertical Generación Eólica de eje Horizontal Pila Combustible de hidrógeno Generación Tradicional Grupo Diesel Coche Eléctrico Estaciones de Recarga Cogeneración Turbina de Gas Sistemas de Almacenamiento Baterias de Pb Baterías Ion-Li SuperCondensadores Volante de Inercia TICs Gestión Inteligente Control Distribuido Telegestión de carga residencial Tarificación horaria Gestión de la Demanda 19
Sistemas de Generación I Eólicos. Eje horizontal de 10Kw. Eje vertical de 10Kw. Fotovoltaica. 2 unidades de 20 kw con diferentes tipos de células solares, de forma que permitan realizar una comparación del rendimiento obtenido con cada una de las tecnologías. 20
Sistemas de Generación Eolica : Full Converter 21
Sistemas de Generación Fotovoltaica : Convertidor DC-AC 22
Sistemas de Generación II Grupo de cogeneración. Micro turbina o motor de gas de 50 kw eléctricos y 100kW térmicos. Generador diesel. Suministrando electricidad en aquellos lugares donde no hay abastecimiento eléctrico. Pila de combustible. Produce electricidad por vías electroquímicas a partir de un combustible generalmente gaseoso e hidrogenado. 23
Sistemas de Almacenamiento Baterías. Capaces de almacenar cantidades de energía sustancialmente grandes, aportando sostenibilidad al sistema durante periodos de tiempo del orden de horas. Volantes de inercia. Almacenan y gestionan la energía, en forma de energía cinética. Supercondensadores. Cuya principal virtud es la de proporcionar corrientes de carga considerables, sin necesidad de mantenimiento. Presentan a su vez gran rapidez de carga y gran ciclabilidad. Además no están compuestos por elementos tóxicos, como en el caso de las baterías. Todo ello bajo posibles condiciones de temperatura adversas. 24
Sistemas de Distribución Transformadores. Dos transformadores inteligentes que se adaptan en todo momento a las necesidades requeridas por la micro-red de energía, disminuyendo pérdidas, mejorando la refrigeración, reduciendo su tamaño e incrementando su nivel de monitorización. Protecciones media y baja tensión. Cargas: Residenciales, Industraiales y Domésticas 25
Inteligencia del Sistema Infraestructura interoperable de comunicaciones. Centro de control. Unidad de Control Inteligente Central, con capacidad de razonamiento y decisión autónoma, así como con capacidades de acción. Contadores inteligentes. Adaptan en tiempo real la demanda y la oferta de la energía. Puntos de recarga para vehículos eléctricos. Pequeñas plantas energéticas con capacidad de absorber energía al ser cargadas o inyectar energía en momentos puntuales. 26
Integración del Vehículo Eléctrico V2G G2V 27
Elementos de Innovación I Única Micro Red operativa del estado de 400kW. Subred integrada a la red troncal. Micro Red capaz de monitorizar en tiempo real las tres fases de la energía: Generación. Distribución. Acumulación. Entorno en el que diseñar, desarrollar y probar nuevos sistemas avanzados para las redes inteligentes. 28
Elementos de Innovación II Plataforma interactiva en la que poder enseñar a las nuevas generaciones el funcionamiento de las redes y la importancia de la concienciación energética. Laboratorio capaz de testear y homologar nuevas soluciones. Puerta de acceso al despliegue en el territorio de Gipuzkoa de la red energética inteligente. Creación de nuevos productos y soluciones que permiten el desarrollo empresarial, creando nuevos puestos de trabajo de valor añadido para Guipuzcoa y para los accionistas. Posibilita la creación de nuevas sinergias entre la empresas internacionales interesadas en ámbito de las micro redes. La competencia va a ser muy dura, porque el mercado potencial es inmenso y caben muchos protagonistas. 29
Análisis de Contingencias Permite que se prevean posibles fallas. En ocasiones, dada la velocidad con la que se desarrollan las posibles contingencias es imposible para el operador actuar a tiempo. Es aquí donde entra en juego dicho módulo, que modela las posibles fallas del sistema antes de que éstas sucedan. Posible prever sobretensiones o sobrecargas emitiendo una alarma en caso de ser necesario. Para efectuar un diagnóstico, el algoritmo de Análisis de Contingencias recibe información tanto del Gestor de Topología como del Estimador de Estado. 30
Los factores de penalización relacionan las pérdidas generadas en la red con la potencia producida por una determinada fuente de generación. P fi 1 1 P P loss i En el caso de considerar las pérdidas en el Despacho Económico es posible mediante este factor encontrar el punto óptimo de funcionamiento. En la microrred, y dado lo cortas que serán las líneas es posible que las pérdidas de energía que se produzcan no tengan demasiada influencia en el Despacho Económico. Es posible que, al ser líneas cortas, no haya que tener en cuenta sus pérdidas; no obstante, probablemente las conexiones de aerogeneradores, placas solares y la interconexión con Iberdrola sean líneas con pérdidas apreciables. 31
FLUJO DE CARGAS MONOFÁSICO Dos etapas: - Obtener las tensiones complejas en todos los nudos eléctricos. - Cálculo de todas las magnitudes de interés (flujos de potencia activa y reactiva, pérdidas,...). Restricciones de Contorno: - Límites de reactiva en nudos PV. - Límites de tensión en nudos PQ. - Transformadores de regulación. - Transformadores desfasadores. - Intercambio de potencia entre áreas. P, Q, V, I de cada nodo y la matriz de impedancias?. Si sólo se consideran ambos tipos de nudos, todas las potencias activas inyectadas deberían especificarse de antemano, lo cual es imposible porque las pérdidas en la red, que también deben ser aportadas por los generadores, no se conocen hasta que se obtienen los flujos de potencia por cada elemento. Es decir, la potencia activa de al menos un generador no puede ser especificada y debe calcularse al final del proceso. Distinguir entre nudos: - PQ - PV Elección del nudo (slack) Por simplicidad de cálculo, se toma como origen de fases precisamente el nudo de generación cuya potencia se deja libre. Este nudo, que suele ser un generador importante con capacidad para regular frecuencia, o un nudo de interconexión con el exterior, se denomina nudo de referencia o nudo slack. Pi esp : Potencia activa a un valor especificado Qi esp : Potencia reactiva a un valor especificado nd: numero de nudos de consumo ng: número de nudos de generación Nudos de Generación sin contar el nudo slack: ng = n nd 1 esp Pi esp Qi n Vi V j Gij cos ij Bijsen ij j 1 i 1,2,..., nd ng n Vi V j Gijsen ij Bij cos ij j 1 i 1,2,..., nd ng Elección del método Iterativo: - Método iterativo simple (Gauss-Seidel, Método basado en la matriz de impedancias) - Método de Newton-Raphson - Método de desacoplo rápido (Newton-Raphson modificado) - Adaptación del método basado en la matriz de impedancias para redes radiales 32
Despacho Económico Presentación i-sare Correcta gestión de la microrred minimizar sus costes de operación (respetando los rangos de seguridad y las restricciones impuestas por el sistema). El Despacho Económico encargado de establecer punto óptimo de operación. Para esto es preciso conocer el estado de la red, labor que se realiza mediante el Estimador de Estado, que proporciona la información necesaria. Necesario incorporar al Despacho Económico (el precio de compra y venta del kwh, las penalizaciones por incumplimiento de contrato, los límites máximos y mínimos de generación de las diferentes fuentes de generación y de los elementos almacenadores de energía, las curvas de costos de generación, etc.) Factores de penalización (relacionan las pérdidas generadas en la red con la potencia producida por una determinada fuente de generación) Con la información existen diversos métodos numéricos para encontrar el punto óptimo de funcionamiento. 33
Control Automático de la Generación (AGC) Integra el resultado del análisis del despacho económico, junto con información proveniente del centro de análisis de contingencias y con las medidas analógicas del centro de medidas y comunicaciones. Además, también aglutina (a distintas escalas de tiempos) los resultados de los Controles Secundario y Terciario [Tensión/frecuencia (P-f y Q-V)], así como el Control o Compensación de Armónicos y Desequilibrios. 34
Control Automático de la Generación (AGC) Control Primario está implementado en los propios convertidores. Se basa en el Droop Control y su tarea es conseguir que los convertidores suministren las potencias asignadas a cada elemento por el control cuaternario (Despacho Económico) manteniendo la frecuencia y la tensión en sus valores de referencia. Control Secundario, se utiliza para compensar las desviaciones de la frecuencia y la tensión. Asegura que las desviaciones en frecuencia y tensión sean nulas después de cada cambio en la carga y/o generación dentro de la microrred. El Control Terciario se encarga de enviar las referencias de tensión y frecuencia a cada convertidor controlado de la microrred, partiendo de la comparación entre los valores medidos de PG y QG y las consignas P*G y Q*G (de intercambio con la red de distribución), así como de la comparación entre las potencias suministradas por los convertidores y las consignas para éstos obtenidas del control cuaternario. 35
Infraestructura de Comunicación y Unidad de Control 36
Presentación isare Comunicaciones La red de comunicaciones estará compuesta por una red interna de comunicaciones basada en EPICS y un conjunto subredes que interconecten los equipos de generación y consumos con los equipos de comunicación. 37
Comunicaciones II Presentación i-sare En el edificio central donde se encuentran la red interna de comunicaciones EPICS y las siguientes subredes de control y monitorización de: Equipos de generación solar. Equipos de generación diesel. Equipos de generación por turbina de gas. Equipos de generación/almacenaje por volante inercia. Equipos de generación/almacenaje por supercapacidades. Equipos de generación/almacenaje por baterías Equipos del control central y de las cargas. El centro de carga de coche eléctrico: Equipos de control y monitorización de cargador de vehículos El Centro de generación eólica. Centro de trasformación y conexión a la red eléctrica: Equipos de control y monitorización del reconectador y trasformadores con la red de media tensión. 38
Comunicaciones II 39
Comunicaciones III 40
Solución basada en Integración Multidisciplinar de Conocimiento Redes Eléctricas Electrónica de Potencia Sistemas de Almacenamiento Sistemas de Generación a partir de fuentes de Energía Renovable Sistemas de Control Tecnología de Materiales Las TICs (Interfaces de protocolos de comunicación) Sistemas de Sensorización y telemedida 41
3 de Octubre de 2012 42