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SISTEMA DE CONMUTACIÓN ELÉCTRICA CON RESPUESTA DE 0 SEGUNDOS (CERØ)

El sistema CERØ es un equipo innovador que permite la continuidad de suministro en instalaciones con grupo electrógeno como respaldo. Estas instalaciones sufren una desconexión durante los huecos de tensión o apagones mientras arranca el generador diésel.

El CERØ cubre la alimentación con un convertidor electrónico desde un sistema de supercondensadores durante el proceso de arranque y estabilización del grupo diésel. El sistema detecta las faltas de la red de manera cuasi inmediata y alimenta las cargas críticas de manera automática.

Una vez la red estabilizada, el sistema distingue entre un corte de baja duración o prolongado, para tomar la decisión de arrancar o no el grupo de respaldo, eliminando arranques no necesarios y disminuyendo el consumo de combustible y la generación de gases procedentes de la combustión. El sistema puede estabilizar sistemas de generación renovables integrándose como parte de una microrred inteligente ofreciendo distintos servicios de red.

Indicadores y procesos de mejora

Indicadores y procesos de mejora

La mejora en la eficiencia energética que puede obtenerse por la utilización del equipo CERØ viene incluida por los servicios adicionales ofrecidos aparte de la utilidad de conmutar entre distintas redes de alimentación.

El equipo CERØ, al disponer de un convertidor electrónico de potencia con un sistema de almacenamiento, puede ofrecer servicios para el aprovechamiento de la generación mediante fuentes renovables, como plantas fotovoltaicas o eólicas.

Los servicios previstos son del tipo de “power smoothing”, “ramp rate” o “peak shaving”. Con estos servicios se podrá mejorar el rendimiento energético de la instalación eléctrica, puesto que la gran variabilidad de la generación basada en fuentes renovables no se adecúa al consumo real en cada instante, por lo que un sistema de almacenamiento de rápida respuesta es necesario para lograr un óptimo equilibrio entre generación y consumo.

Con este equilibrio se consigue absorber una menor cantidad de energía desde la red eléctrica de distribución, logrando un mejor aprovechamiento de la generación renovable propia, reduciendo el coste económico de las facturas de electricidad y, por tanto, reduciendo el período de retorno de la inversión de las instalaciones renovables.

Cuantificación/Estimación reducción consumo

Cuantificación/Estimación reducción consumo

La reducción que se consigue con el sistema CERØ se produce a través de la mejora del factor de potencia de la instalación, reduciendo la corriente real de la instalación y, por tanto, el calentamiento y las pérdidas de Joule propias del cableado. Por otro lado, incluyendo la opción del control de armónicos, también se logra una mejora en el rendimiento de la instalación, reduciendo el calentamiento del cableado por efecto de la corriente armónica.

La estimación de reducción puede suponer hasta un 4% de consumo en instalaciones con gran contenido de armónicos, que además, supone un sobredimensionamiento en la propia instalación de cableado, disparos intempestivos de las protecciones, etc.

Cuantificación/Estimación reducción emisiones CO2

Cuantificación/Estimación reducción emisiones CO2

Para realizar la cuantificación de la reducción de emisiones de CO2 se considera una empresa media con un consumo de unos 40.000kW·h, considerando el 4% de reducción de consumo se consigue una reducción de unos 7.400 kg de CO2 equivalente.

Innovación aplicada y buenas prácticas

Innovación aplicada y buenas prácticas

La principal innovación tecnológica es el uso combinado de sistemas de almacenamiento de alta densidad de potencia, con algoritmos de gestión y control energético de muy alta velocidad de respuesta (Potencia nominal del sistema en <20ms), y una capacidad de control de sistemas auxiliares tales como generadores o cuadros de control, a su vez el sistema dispondrá la capacidad de prestar otros servicios auxiliares a la red permitiendo el uso y valorización del sistema durante los momentos “ociosos” del mismo. El uso de almacenamiento con alta densidad de potencia de manera combinada con algoritmos y sistemas de control de alta capacidad de procesamiento y velocidad de respuesta, generará un beneficio de gran importancia a nivel de eficiencia energética, permitiendo la desconexión completa de generadores de respaldo, reduciendo la entrada en falso de dichos sistemas (lo cual genera una reducción de su vida útil y aumento de costes de mantenimiento, así como una mejora sustancial en la calidad de red y de servicio, reduciendo costes de explotación de las infraestructuras a las que estará conectado. Tanto los sistemas a utilizar que componen la solución final, como la aplicación en sí, tienen un alto carácter innovador, pues no existen a día de hoy en el mercado soluciones completas de este tipo, ya que las soluciones más cercanas están basadas en sistemas UPS (Sistemas de Alimentación Ininterrumpida) de baterías, que por un lado no tienen la velocidad de respuesta buscada para estas aplicaciones, ni una potencia específica para poder mantener una red de distribución o industrial completa ni tienen la densidad de potencia en el sistema de almacenamiento para dar dichos niveles de potencia de forma instantánea (una batería para poder funcionar esos niveles de potencia con una vida útil mínima, ha de ser sobre dimensionada, con unos costes de inversión difícilmente amortizables). Este sistema está monitorizando la red, regulando su calidad de servicio, así como la vida útil de los demás activos (tales como los generadores de respaldo), así como prestando otros servicios (regulación de reactiva, tensión, etc…) conlleva un elevado nivel de innovación, además de aportar un alto valor tanto funcional como económico a la solución. El sistema propuesto se basa principalmente en cuatro tecnologías fundamentales, expuestas a continuación. • Tecnologías de almacenamiento Este sistema es la base de la capacidad de actuación en muy bajo tiempo y ser capaz de prestar la potencia nominal de manera instantánea, tal y como se puede ver en la siguiente figura, no todos los sistemas de almacenamiento pueden entregar su energía a la misma velocidad, y normalmente una alta densidad de energía, conlleva una baja densidad de potencia. A su vez, los distintos servicios que pueden prestar los sistemas de almacenamiento se distribuyen por toda la gráfica. Esencialmente los servicios a prestar en el sistema CERØ, son equivalentes al “ramp rate support” y el “off Grid” support, que como se puede observar están en el lado de alta densidad de potencia, y solo la tecnología basada en ultracondensadores, es capaz de prestar dicho servicio. Es por ello que para el sistema cero se decida el uso de esta innovadora tecnología. Los ultracondensadores son elementos de almacenamiento de carácter electroestático, se basan en el mismo principio de un condensador, dos placas conductoras sometidas a un potencial, separadas por un dieléctrico, que almacena una carga eléctrica en el área de dichas placas. La capacidad de almacenar dicha carga eléctrica es proporcional al área de dichos elementos conductores. En los ultracondensadores dicha área se aumenta de tal forma (gracias a los materiales utilizados), que dicha capacidad aumenta en un factor de 1e6. Al ser un proceso puramente electrostático, dicho sistema permite cargar y descargar de manera simétrica, así como realizar dicha descarga de manera cuasi-instantánea, solo limitado por las pérdidas térmicas de los conductores. Ésta es una de las características principales de estos sistemas, frente a otros como las baterías, por el contrario, su densidad energética (capacidad de almacenar energía por volumen o peso), es varios órdenes de magnitud por debajo de las baterías. Pero tal y como se ha presentado, los servicios a prestar por el sistema CER0, se basan en eventos de una alta densidad de potencia, y un tiempo de servicio en el término de segundos, lugar en el que los ultracondensadores son la tecnología más efectiva. • Tecnologías de electrónica de potencia Necesario para poder sacar el partido suficiente a las tecnologías de almacenamiento, es el desarrollo de una electrónica de potencia asociada. Esta electrónica de potencia ha de estar diseñada de tal forma que sea capaz de convertir los niveles de tensión y corriente necesarios para el servicio de red, de manera que cumpla con las normativas de conexión vigentes, a los niveles de tensión y corriente del sistema de almacenamiento. A su vez este sistema debe de ser capaz de controlar los perfiles de potencia para cumplir con los requisitos del sistema. Se estudiarán las distintas topologías de convertidores continua a alterna, para adecuar el diseño a la optimización del sistema, tanto desde el punto de vista técnica, energético como económico. Por otro lado, ya que el sistema CERØ podrá ir comprendido desde cientos de kW hasta sistemas en el orden de MW, se diseñará un equipo con carácter modular, para poder cubrir todas las necesidades de las aplicaciones con la adición o no de módulos en paralelo. Estos módulos de potencia, una vez definida la topología, estarán construidos en base a tecnología de semiconductores de potencia tipo IGBTs. Para poder operar estos sistemas de potencia, y sacar el máximo partido de los sistemas de almacenamiento, será necesario el desarrollo de sistemas de control y procesamiento que puedan, manejar los equipos de potencia, así como procesar los algoritmos avanzados de gestión. • Sistemas hardware de gestión y control. Estos sistemas de control pueden definirse en dos niveles: - Control del módulo de potencia Será el encargado del control del sistema de electrónica de potencia, debe ser capaz de manejar los módulos de semiconductores, a la vez que implementa los algoritmos tanto de conexión a red, como de extracción de potencia del sistema de ultracondensadores. Estará basado en tecnología DSP (Digital Signal Processing) con capacidad de procesamiento suficiente para poder albergar todos los algoritmos de servicios a implementar. - Control y gestión del sistema CERØ Será el encargado de hospedar los algoritmos y esquemas de control de las aplicaciones, siendo capaz de detectar las fallas en la red para actuar de manera inmediata, así como mandar las ordenes tanto a los sistemas a comandar (armarios de protecciones y maniobras, generadores electrógenos o grupos, etc…) como al sistema de potencia y almacenamiento, indicándole, tras su procesamiento interno, las consignas y perfiles de potencia a entregar según el servicio u operación. En este caso debido a la alta carga de trabajo y procesamiento, así como el nivel de comunicaciones a gestionar, el sistema estará basado en una plataforma con doble núcleo, uno basado en un procesador DSP, encargado de la adquisición de señales y su procesamiento, y un ARM cortex A9 para la ejecución de los algoritmos de control, gestión de las comunicaciones y máquina de estados general. • Algoritmos de servicios y control Como se ha ido explicando, uno de los elementos de mayor carga innovadora, es la integración de algoritmos de control y gestión de alta velocidad de respuesta para tanto la detección de las fallas, inyección a red de la energía almacenada y prestación de servicios, gestión de los demás elementos de la red, o la extracción de la manera más eficiente y optima de la energía almacenada. Estos algoritmos que serán desarrollados en MATLAB – Simulink y posteriormente codificados en C++, estarán basados en los últimos avances en tecnologías de control. Entre los algoritmos a desarrollar podemos destacar: - Algoritmos de grid firming, enfocados en la estabilización y mantenimiento de la red a partir de inyección de energía activa y reactiva. - Algoritmos de grid forming, generadores de una red estable de manera transparente, una vez que la red primaria haya desaparecido, siendo capaz de funcionar en distintos niveles de cargas reactivas o con contenido armónico. - Algoritmos de detección de fase, enfocados en la detección de fallas. - Algoritmos de almacenamiento, enfocados en la optimización energética en el uso de la energía almacenada en los UCs. - Algoritmos de decisión para la entrada o no de los sistemas auxiliares de respaldo.

Usabilidad de Tecnologías de la Información y Comunicaciones

Usabilidad de Tecnologías de la Información y Comunicaciones

Uno de los principales requisitos en el desarrollo del proyecto fue disponer de conexión remota para acceso al equipo desde cualquier ordenador conectado a internet. Para ello se integró una plataforma basada en dos procesadores distintos uno encargado del procesamiento de la información, gestión de las maniobras e integración de los algoritmos de control y otro centrado en las comunicaciones y hospedaje de la interfaz de usuario.

Para el primero se utilizará un procesador digital de señales con alta capacidad y, para el segundo, se utilizará un procesador proveniente de las tecnologías de información y comunicaciones, un microprocesador tipo ARM cortex A9. Este dispositivo incorpora una versión de Linux, sobre la cual ya está implementado el protocolo TCP/IP y dispone de un webserver sobre el que montar la aplicación de interfaz de usuario, aligerando las tareas de desarrollo software del sistema.

Sobre esta plataforma se han implementado tanto la máquina de estado del sistema como los algoritmos de decisión y operación del sistema. Esta máquina de estado principal está integrada en el firmware del EMS y el bucle se ejecuta cada segundo.

La integración del sistema de gestión con un SCADA de la instalación también fue un requisito en el diseño, de forma que se pueda intercambiar datos sobre el funcionamiento necesario en cada momento, habilitando a un gestor superior para lograr una mayor optimización en conjunto con el resto de los equipos instalados dentro de la red. Este punto facilita enormemente que se mejore el rendimiento global de la microrred, logrando establecer las necesidades del conjunto entre todos los sistemas para alcanzar el punto de funcionamiento óptimo en cada momento.

Todo ello, además, permite poder integrar parte de los algoritmos en la nube, permitiendo el acceso a los equipos de forma indirecta y permitiendo también el acceso a datos que se puedan intercambiar entre los distintos sistemas de la microrred, creando perfiles de previsión de funcionamiento, como puede ser el caso de las instalaciones de generación renovable, pudiendo disponer del sistema de almacenamiento preparado para actuar en caso de una previsible variación del consumo o de la generación en determinados momentos.

Implementado en:

Cuadros Eléctricos Nazarenos, S.L. (CEN SOLUTIONS)

Periodo de ejecución:

28/07/2017 - 31/08/2018

Socio tecnológico destacado:

Schneider Electric

Otros socios tecnológicos:

Eplan - CDTI