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UTILIZACIÓN DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA BASADO EN VOLANTES DE INERCIA PARA LA GESTIÓN ENERGÉTICA DE MICROREDES Marcos Lafoz CIEMAT. Madrid

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UTILIZACIÓN DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA BASADO EN VOLANTES DE INERCIA

PARA LA GESTIÓN ENERGÉTICA DE MICROREDES

Marcos Lafoz

CIEMAT. Madrid

Microredes y almacenamientoRed eléctrica convencional

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.

Transmission

and

distribution

Red eléctrica completamente gestionable

Tipos de almacenamiento de energía

Superconducting Magnet Energy Storage (SMES)

Hidrobombeo

Baterías

Ultracondensadores

Volantes de inercia

Aire comprimido

Almacenamiento químico

El volante de inercia

MATERIAL σ(MPa)

ρ(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

• 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

M/G

2

2

1 Ω⋅⋅= JE

Convertidor lado red

eM = ζζζζ·σσσσ/ρρρρ

eV = ζζζζ·σσσσ

σ es la carga de rotura del material

ζ un factor geométrico

(disco:0,61, anillo:0,3)

Convertidor lado

máquina

Volantes rápidos y lentos

Estado del arte en volantes de inercia

ACTIVE POWER:Power : 500 kWEnergy : 6.5 MJ

PILLER:Power: 1670 kWEnergy : 20 MJ

BEACON POWER:Power : 100 kWEnergy : 90 MJ

20 MW plant

PENTADYNEPower: 120 kWEnergy : 2,4 MJ

URENCO:Power: 200 kWEnergy : 5,2 MJ

VYCONPower: 120 kWEnergy : 2,4 MJ

BLUEPRINTENERGYPower: 120 kWEnergy : 0.75 KwH

Aplicaciones en UPS,

transporte y energía

Desarrollos del CIEMAT en volantes de inercia

OMEGA-PLUS. ACE2

ENERGY 200MJ

TOTAL POWER 350 kVA

DC VOLTAGE. 1000 V

RPM 6.600

OMEGA

ENERGY 5MJ

TOTAL POWER 120 kVA

DC VOLTAGE. 1000 V

RPM 9.600

OMEGA-MOTOR

ENERGY -

TOTAL POWER 120 kVA

DC VOLTAGE 1000 V

RPM 9.600

First prototype of Kinetic energy storage

device (1999)

SEDUCTOR Wind-Diesel Generation. 2001

2010 SA2VE: Railway substation. Energy

saving.

2011 ACEBO: Renewable and

SmartGrid applications

ACEBO

ENERGY 10MJ

TOTAL POWER 25 kW

DC VOLTAGE 1000 V

RPM 13.000

Características técnicas

Máquina eléctrica 6/4 SRM

Potencia 25 kW

Velocidad máxima 10,000 rpm

Capacidad energía 9 MJ

Peso 900 Kg

Dimensiones externas Base:700x700 mmAltura: 800 mm

ACEBO. Descripción de la tecnología (I)

Conjunto volante, máquina

eléctrica y electrónica de

potencia lado máquinaInversor de

conexión a red

Electrónica de

potencia y control

Máquina eléctrica

Volante de inercia

Diseño mecánico para el

volante de inercia,

rodamientos y rotor.

Diseño electromagnético

para la máquina

eléctrica

Estudio de pérdidas.

Reducción de la

presión en la cámara

del volante y rotor

ACEBO. Descripción de la tecnología (II)

Convertidor electrónico Señales de comutación PWM

Medidas analógicas de corriente

Alarmas IGBT

Medida analógicas

De tensión

Medidas de Temperatura

+Interfaces de señal

Topología de medio

puente bidireccional para

el convertidor electrónico

de la máquina

ACEBO. Descripción de la tecnología (III)

0 1 2 3 4 5

x 10-3

-50

0

50

100

150CORRIENTES

t (seg)

I (A

)

ACEBO. Descripción de la tecnología (IV)

Entorno de operación y monitorización

remoto utilizado para el control del

dispositivo

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

electperdaerodrodelect TTTdtd

JT _· ++++++++++++ΩΩΩΩ====

U

IKUKUK

dtdU

CI electelect ···· 4

23

2

21++++++++++++====

Pconsumo

s s s Ielect* Irod Iaerod s Iperd_elect C

PI

V_min* X

X

V_m ax*

Ielect *

Psolar

Peolica Pred

Pred *

Palmacenador

Funcionalidad regulando frecuencia y tensión

-+

Convertidor de

conexión a red

DC-link

común a

otros

dispositivos

en paralelo

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

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

400TRANSITORIO DE LA TENSION EN LA CARGA CUANDO DESAPARECE LA RED

Tiempo(ms)

Ten

sion

Car

ga(V

)

Transición de tensión en la carga cuando

deja de existir red y la genera el inversor

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

Tiempo(s)

Tensión-Corriente-carga

TENSIÓN Y CORRIENTE EN LA CARGA

Tension-carga(V) Corriente-carga(A)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12-50

0

50

100

150

200

250

300

350

Tiempo(s)

Tensión-carga(V)

TENSION EN LA CARGA EN EJES d-q

El caso de regulación de frecuencia y

tensión es especialmente crítico cuando

parte de la red pasa a funcionar en isla,

aislada del resto.

Tensión y Corriente en la carga y módulo

de la tensión pico en la red en el momento

del reenganche

Funcionalidad desequilibrios entre fases

5.4 5.41 5.42 5.43 5.44 5.45 5.46 5.47 5.48 5.49 5.5-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

Tiempo(s)

I inve

rsor

(A)

CORRIENTES DE SALIDA DEL INVERSORCORRIENTES DE SALIDA DEL INVERSORCORRIENTES DE SALIDA DEL INVERSORCORRIENTES DE SALIDA DEL INVERSOR

IA inversor IB inversor IC inversor

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

Consumo

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

0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5

x 1 04

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

7 0 0 0

8 0 0 0

Día soleado

Día nublado

Referencia

media

Muchas gracias

Marcos Lafoz

[email protected]

Centro de InvestigacionesEnergéticas, Medioambientalesy Tecnológicas