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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
Centro de InvestigacionesEnergéticas, Medioambientalesy Tecnológicas