ENERGÍA DE RECURSO VARIABLE

CAMPO DE APLICACIÓN La presente invención tiene su campo de aplicación en los sistemas de generación de energía eléctrica mediante energías renovables de recurso variable, y más particularmente mediante energía eólica ó solar fotovoltaica. El objeto de la invención es proporcionar un sistema de gestión de energía para sistemas de generación de recurso variable, que incorpora medios para el almacenamiento de energía y gestión de la misma. El sistema permite hacer frente a las necesidades que aparezcan en la red eléctrica, participando en la regulación de la red eléctrica y contribuyendo a la estabilidad y calidad de la misma.

ANTECEDENTES

Dentro del ámbito de la generación de energía eléctrica, las plantas de generación convencionales como térmicas o nucleares tienen medios para, bajo demanda del operador de la red eléctrica, aumentar o disminuir la energía transmitida a la red en función de los requisitos de la red eléctrica en cada momento. En los últimos años, dichos requisitos exigidos por el operador de la red se están extendiendo a los sistemas de generación de energía de recurso variable.

En el presente documento, se denominarán sistemas de generación de energía de recurso variable a sistemas de generación caracterizados por una gran variabilidad en el recurso energético. Normalmente el recurso variable es algún tipo de energía renovable sobre el que no se tiene ningún control, como el viento o el sol en sistemas basados en energía eólica o solar.

La integración masiva de energías renovables en la red exige que para un correcto funcionamiento de la misma, la generación se ajuste en todo momento a la demanda.

Para solucionar este problema, una primera solución conocida ante el exceso de recurso energético es limitar la energía producida por el sistema. Sin embargo, este método implica alejar el sistema del punto de operación óptimo para disminuir su capacidad de captación de energía, dejando de aprovecharse una parte del recurso energético que no es recuperable posteriormente.

Otra solución conocida consiste en utilizar medios de almacenamiento capaces de consumir potencia activa durante los periodos en que existe un exceso de recurso energético y devolver la energía almacenada a la red cuando se produce un déficit de recurso energético. Esta técnica permite además responder ante demandas de variación de potencia activa por parte de los operadores de red o actuar de forma coordinada ante variaciones de frecuencia que requieran equilibrar la generación y el consumo de energía realizando funciones de regulación primaria y secundaria.

Los documentos EP2101392 y EP1772939 describen sistemas que comprenden baterías u otros medios de almacenamiento y un convertidor DC/DC bidireccional que permite canalizar la energía sobrante hacia dichos medios de almacenamiento y devolver dicha energía al bus DC cuando sea necesario. Sin embargo, estos sistemas presentan el inconveniente de que para gestionar el 100% de la energía producida se requieren convertidores DC/DC de toda la potencia del sistema. Esto es a menudo excesivamente costoso, además de que aumenta el volumen total del sistema.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención describe un sistema y procedimiento de gestión de energía para la conexión de una fuente de tensión DC a la red eléctrica. En el presente documento, el término "fuente de tensión DC" hace referencia a una fuente de tensión DC alimentada a partir de una energía renovable de recurso variable, como por ejemplo energía solar fotovoltaica, energía eólica, u otras. Algunos ejemplos de fuentes de tensión DC son:

- Si el recurso es de tipo fotovoltaico, la fuente de tensión DC podría ser el propio panel fotovoltaico.

- En el caso de recurso de tipo eólico, para una topología doblemente alimentada (DFIG) la fuente de tensión DC estaría formada por el generador y el convertidor AC/DC conectado a su rotor; para una topología full converter, la fuente de tensión DC sería el generador y el convertidor AC/DC conectado a su estator. El sistema propuesto combina la acción de un convertidor DC/DC con un elemento de conmutación adicional que permite la carga y/o descarga acelerada de un medio de almacenamiento. De este modo, el sistema es capaz de conducir el 100% de la energía generada por el sistema hacia el medio de almacenamiento, estando dimensionado el convertidor DC/DC para una potencia inferior.

El sistema de gestión de energía propuesto en la invención para conexión de fuentes de tensión DC a la red incluye:

- un convertidor DC/AC

- al menos una unidad de control caracterizado porque además comprende:

- un primer ramal formado por un elemento de conmutación adicional en serie con un medio de almacenamiento de energía conectado entre los terminales de la fuente de tensión DC. Dicho elemento de conmutación adicional permite la carga o descarga acelerada del sistema de almacenamiento. En una realización preferida, el elemento de conmutación adicional es del tipo diodo. En otra realización preferida, el medio de almacenamiento está constituido por supercondensadores o baterías.

- un convertidor DC/DC conectado a los terminales de la fuente de tensión DC y al medio de almacenamiento. En una realización preferida, el convertidor DC/DC está formado por dos elementos de conmutación conectados en serie a los terminales de la fuente de tensión DC. Además, incluye una inductancia conectada al punto medio de dichos elementos de conmutación y al terminal positivo del medio de almacenamiento, constituyendo el conjunto un convertidor DC/DC del tipo elevador-reductor. En una realización preferida, es posible dimensionar el convertidor DC/DC para una potencia inferior a la del sistema, sin perder funcionalidades.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un procedimiento de gestión de energía empleando el sistema descrito que permite controlar el flujo de potencia intercambiado con la red a través de una adecuada gestión del flujo de energía entre la fuente DC, el medio de almacenamiento y la red por medio de actuaciones sobre el convertidor DC/AC, el convertidor DC/DC, el elemento de conmutación adicional y/o la fuente de tensión DC. Una importante ventaja del sistema descrito es que, al proporcionar una ruta alternativa al convertidor DC/DC para la energía entrante o saliente del medio de almacenamiento, es posible dimensionar dicho convertidor DC/DC para potencias menores que la potencia máxima de la fuente DC. Así, cuando la potencia excede la potencia máxima del convertidor DC/DC, el medio de almacenamiento se carga/descarga a través del elemento de conmutación adicional. Un convertidor DC/DC dimensionado para potencias más bajas es menos voluminoso y pesado, facilitándose así las tareas de transporte y montaje, y además es económicamente menos costoso.

Adicionalmente, en caso de una bajada del recurso energético renovable, otras fuentes convencionales (tales como térmica, ciclo combinado, hidroeléctrica, etc) pueden actuar participando en la regulación secundaria. Sin embargo estas fuentes tienen unas dinámicas de variación de potencia más lentas que las que pueden presentar recursos de origen renovable que incorporan el sistema propuesto en la presente invención.

Por tanto, la invención permite hacer los ajustes necesarios/requeridos para evitar los inconvenientes característicos de cada fuente renovable tales como:

- Absorción de las fluctuaciones de potencia intrínsecas a un recurso energético renovable,

- Sobretensión transitoria de la fuente de tensión DC

Otra importante ventaja de la invención es que permite responder a los siguientes requerimientos de potencia:

- Control de potencia activa generada.

- Control de las variaciones de potencia generada.

- Generación de una reserva de potencia. La invención propuesta consigue los objetivos anteriores mediante la gestión de la energía de diferente manera en función del requerimiento. En periodos en los que el recurso energético disponible es superior al requerido, una adecuada gestión de los convertidores y el elemento de conmutación adicional permite realizar la carga del medio de almacenamiento según dos modos de operación alternativos: a través del convertidor DC/DC o a través del elemento de conmutación adicional. A continuación se describen brevemente estos modos de carga según una realización preferida:

• A través del convertidor DC/DC:

Este tipo de carga permite que la fuente DC y el medio de almacenamiento trabajen a una tensión diferente, de modo que la fuente DC puede trabajar a la tensión correspondiente al punto de máxima potencia a la vez que el exceso de energía se almacena en el medio de almacenamiento a una menor tensión. · A través del elemento de conmutación adicional:

En el caso de que se requiera una reducción de potencia evacuada a la red con una dinámica superior a la permitida a través del convertidor DC/DC. La carga se realiza, de manera acelerada, activando el elemento de conmutación adicional de modo que se igualan las tensiones de la fuente de tensión DC y del medio de almacenamiento.

Alternativamente, en momentos en que la energía requerida es superior a la proporcionada por el recurso energético, una adecuada gestión de los convertidores y el elemento de conmutación adicional permite liberar energía del medio de almacenamiento hacia la red según dos modos de operación alternativos. A continuación se describen brevemente estos dos modos de descarga según una realización preferida:

A través del convertidor DC/DC:

Si la potencia demandada al medio de almacenamiento es inferior a la potencia del convertidor DC/DC la descarga se hace a través del mismo, lo que permite que las tensiones de trabajo de la fuente DC y el medio de almacenamiento sean diferentes.

A través del elemento de conmutación adicional:

Si la potencia demandada al medio de almacenamiento es superior a la potencia del convertidor DC/DC, la descarga se hace a través del elemento de conmutación adicional. Esto permite hacer frente a grandes variaciones del recurso energético sin la necesidad de sobredimensionar el convertidor DC/DC. Para operar el sistema de forma que sea posible la descarga acelerada del medio de almacenamiento, es necesario mantener la tensión de la fuente de tensión DC a un valor superior a la tensión mínima de operación. De esta manera, en el momento que es demandada una aportación de potencia extra de forma rápida, esta se consigue inmediatamente disminuyendo el valor de la tensión de la fuente de tensión DC a un valor menor o igual al del medio de almacenamiento. En una realización preferida, la invención propuesta permite un control de la potencia activa generada por el sistema. El control de dicha potencia se hace en base a unas consignas que pueden estar definidas por el operador de red o el controlador supervisor del sistema o la unidad de control o internamente según tablas, parámetros, etc. Las consignas del operador de red, se pueden enviar a la unidad de control de cada instalación individual a través de un controlador general de la instalación. La consigna también puede basarse en variaciones de potencia según rampas, o un perfil que permita dar respuesta al resto de fuentes de generación del sistema de la red. Además, el sistema propuesto en la invención puede contrarrestar variaciones de potencia del recurso variable adaptando la salida del sistema a las dinámicas requeridas por el resto de fuentes de generación del sistema de la red. En caso de una bajada del recurso energético renovable, otras fuentes convencionales (tales como térmica, ciclo combinado, hidroeléctrica, etc) pueden actuar participando en la regulación secundaria. Sin embargo estas fuentes tienen unas dinámicas de variación de potencia más lentas que las que pueden presentar los recursos variables. Por ejemplo, las fuentes de energía convencionales tienen dinámicas de variación de potencia en torno al 4% por minuto, mientras que las dinámicas de los sistemas de generación de recurso variable pueden llegar a ser del 80% en pocos segundos. En caso de una bajada del recurso variable superior a la que pueden contrarrestar las fuentes convencionales, el sistema propuesto en la invención aportaría la diferencia requerida con la dinámica de respuesta exigida.

En una realización preferida de la invención, la carga del medio de almacenamiento podrá realizarse alimentando el sistema desde la red a través del convertidor AC/DC. Esto permite actuar al medio de almacenamiento como carga controlada con un balance de energía de la instalación negativo o inferior al establecido por la fuente de tensión DC.

En el caso de instalaciones formadas por varias unidades de generación, la solución de almacenamiento puede tomarse en cada unidad de generación o a nivel de instalación, por ejemplo a la salida de la instalación. La presente invención, plantea el almacenamiento a nivel de instalación individual (en vez de a nivel de instalación global), de modo que se consigue optimizar el aprovechamiento del recurso energético.

La tensión del medio de almacenamiento se selecciona para que sea inferior a la nominal de la fuente DC y superior a la tensión mínima de operación requerida por el convertidor DC/AC, de acuerdo a la tensión de red y su topología.

A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 muestra una realización preferida de la invención incluyendo el elemento de conmutación adicional que permite la carga/descarga acelerada del medio de almacenamiento.

La figura 2 muestra otra realización del sistema de la invención donde el elemento de conmutación adicional es un diodo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Las Figs. 1 y 2 muestran ejemplos del sistema (1 ) de la presente invención donde se aprecia la fuente DC (5) conectada al primer ramal que comprende un convertidor DC/DC (2) y al segundo ramal que comprende un elemento de conmutación adicional (3, 3') en serie con el medio de almacenamiento (4). El convertidor DC/DC (2) de este ejemplo está constituido por dos elementos de conmutación en serie y una inductancia conectada entre el punto medio de dichos dos elementos de conmutación y el punto medio del segundo ramal, entre el elemento de conmutación adicional (3, 3') y el medio de almacenamiento (4). Como se aprecia en las figuras, cada elemento de conmutación del convertidor DC/DC (2) está formado por un transistor dispuesto en antiparalelo con un diodo. La Fig. 1 también muestra un elemento de conmutación adicional (3) formado por un transistor con un diodo en antiparalelo, mientras que el elemento de conmutación adicional (3') de la Fig. 2 comprende únicamente un diodo. Por último, estos elementos están conectados a un convertidor DC/AC (6), el cual a su vez está conectado a la red (7) eléctrica.

El sistema propuesto en la invención se caracteriza porque al menos una unidad de control controla la potencia de salida del sistema (1 ) gestionando el flujo de energía entre la fuente DC (5), el medio de almacenamiento (4) y la red (7), actuando sobre el convertidor DC/AC (6), el convertidor DC/DC (2) y el primer ramal formado por un elemento de conmutación (3, 3) y/o la fuente de tensión DC (5).

Se describen a continuación los diferentes modos de operación de este sistema (1 ). En primer lugar, en periodos en los que el recurso energético es superior al requerido, el sistema (1 ) permite cargar el medio de almacenamiento (4) de dos modos diferentes.

• A través del convertidor DC/DC (2):

Este tipo de carga permite hacer trabajar a la fuente DC (5) a una tensión diferente a la del medio de almacenamiento (4). Esto permite maximizar la energía obtenida, haciendo que la fuente DC (5) trabaje a la tensión correspondiente a la del punto de máxima potencia en el caso de sistemas fotovoltaicos y eólicos.

Además, la carga del medio de almacenamiento (4) estará gobernada por una unidad de control que determinará la dinámica y nivel de carga. En aplicaciones eólicas o fotovoltaicas por ejemplo, permitirá mantener la carga por debajo de su nivel nominal para en el caso de requerirse una limitación de potencia evacuada a la red (7), poder derivar el exceso al sistema de almacenamiento (4).

• A través del elemento de conmutación adicional (3, 3'):

En el caso de que se requiera una reducción de potencia evacuada a la red (7) con una dinámica superior a la permitida a través del convertidor DC/DC (2). La carga se realiza activando el elemento de conmutación adicional (3, 3') de modo que se igualan las tensiones de la fuente de tensión DC (5) y del medio de almacenamiento (4).

En concreto, para sistemas eólicos, esta forma de funcionamiento permite absorber ráfagas de viento reduciendo las cargas mecánicas del sistema y mantener el control de la fuente de tensión DC (5) ante transitorios a consecuencia de eventos de red (7). La solución propuesta, se plantea de esta manera como una alternativa a sistemas convencionales como la incorporación de un chopper de freno, donde la energía evacuada no es recuperable. Sin embargo, el medio de almacenamiento (4) de la invención propuesta permite devolver la energía a la red (7) una vez se ha restablecido el punto de operación dentro del rango normal.

En una realización preferida de la invención, la carga del medio de almacenamiento (4) podrá realizarse alimentando el medio de almacenamiento (4) desde la red (7) a través del convertidor AC/DC (6), Esto permite al medio de almacenamiento (4) actuar como carga controlada con un balance de energía de la instalación negativo o inferior al establecido por la fuente de tensión DC (5). Por otro lado, en momentos en que la energía requerida por la red (7) es superior a la proporcionada por el recurso energético, se descarga energía del medio de almacenamiento (4) hacia la red (7). Existen dos modos de descarga: · A través del convertidor DC/DC (2):

Si la potencia demandada al medio de almacenamiento (4) es inferior a la potencia del convertidor DC/DC (2) la descarga se hace a través del mismo, lo que permite que las tensiones de trabajo de la fuente DC (5) y del medio de almacenamiento (4) sean diferentes.

• A través del elemento de conmutación adicional (3, 3'):

Si la potencia demandada al medio de almacenamiento (4) es superior a la potencia del convertidor DC/DC (2), la descarga se hace a través del elemento de conmutación adicional (3, 3'). Esto permite hacer frente a grandes variaciones del recurso energético sin la necesidad de sobredimensionar el convertidor DC/DC (2). Para operar el sistema (1 ) de forma que sea posible la descarga acelerada del medio de almacenamiento (4), es necesario mantener la tensión de la fuente de tensión DC (5) a un valor superior a la tensión mínima de operación. De esta manera, en el momento que es demandada una aportación de potencia extra de forma rápida, esta se consigue inmediatamente disminuyendo el valor de la tensión de la fuente de tensión DC (5) a un valor menor o igual al del medio de almacenamiento (4), provocando que las tensiones de la fuente de tensión DC (5) y del medio de almacenamiento (4) se igualen a través de la descarga del medio de almacenamiento (4).

La tensión mínima de operación estará determinada por la aplicación u origen del recurso energético. En el caso de aplicaciones eólicas, la mínima tensión de operación deberá ser tal que se funcione dentro de los límites de seguridad, para lo que deberá tenerse en cuenta tanto la tensión de red (7), como la impuesta por la máquina eléctrica. Está tensión, bien sea la de rotor en topologías doblemente alimentadas, bien sea la de estator, en topologías full converter, está a su vez impuesta por la velocidad de giro.