CENTRO NACIONAL DE ENERGÍAS RENOVABLESGeneración distribuida y microrredes MICRORRED CENER Fernando Sanchez Sudón EXPOENERGÍA - Valencia, 29 de febrero de 2012 ¿QUÉ ES UNA MICRORRED? Las microrredes comprenden sistemas de distribución en baja tensión junto con fuentes de generación distribuida, así como dispositivos de almacenamiento. La microrred puede ser operada tanto en modo no autónomo como autónomo. La operación de sus elementos puede proporcionar beneficios globales al sistema si se gestionan y coordinan de manera eficiente” Elementos Funcionamiento Sistemas de generación Equipos de almacenamiento Cargas conectadas Sistema de control Modo conectado Modo aislado 2 FUNCIONAMIENTO Durante el modo conectado es la red eléctrica externa la encargada de proporcionar las referencias de tensión y frecuencia a los equipos de la microrred. Modo aislado: Los generadores deben ser capaces de responder con rapidez a los cambios del consumo. Presentan convertidores electrónicos y no tienen inercia mecánica. Algunos equipos tienen una respuesta lenta ante cambios de consigna. Se precisará de sistemas de almacenamiento para asegurar el balance energético inicial Compensar los desequilibrios puntuales entre generación y consumo. Proporcionar referencias de tensión y frecuencia al resto de elementos. 3 TIPOS Una microrred se puede configurar a través de 3 topologías: AC. Todos los elementos se conectan a un mismo bus AC para llevar a cabo el intercambio de energía entre ellos. Este bus se conecta en un único punto con la red eléctrica lo que permite la interacción con la misma. Dentro de la microrred se realiza una distribución de energía eléctrica en AC. DC. La distribución de la energía dentro de la microrred se hace en continua. Todos los elementos de la microrred se conectan a un mismo bus DC y este se conecta a la red eléctrica a través de un convertidor DC/AC. Las cargas AC se alimentarían a través de un convertidor. Mixta. En este caso coexisten dos buses: uno DC unido a la red eléctrica con un convertidor AC/DC y otro AC que seria la propia red eléctrica. Los diferentes elementos se pueden conectar en función de sus características al bus DC o AC. 4 MICRORREDES Y REDES INTELIGENTES Una microrred es una red inteligente Gestión de generación, consumos y sistemas de almacenamiento. Equilibrio entre generación y demanda internas. Coordinación eficiente de los elementos para dar una respuesta agregada y transparente a la red externa. El controlador central de la microrred da una respuesta única: El operador ve a la microrred como un único consumidor/generador agregado Incremento de la penetración de renovables. Se mejora su gestión y su visibilidad. El concepto de microrred permite una transición clara y transparente del paradigma actual hacia redes inteligentes de mayor tamaño. Funcionan como elementos integrantes en las mismas. Resultados y experiencias útiles. VENTAJAS OPORTUNIDADES EN EL MERCADO ENERGÉTICO Eficiencia energética Reducción de emisiones Incremento de la penetración de la EERR Reducción del coste energético Incremento de la seguridad de suministro y participación en servicios auxiliares Minimización de las pérdidas eléctricas RETOS TECNOLÓGICOS CONTROL Tres niveles de control dentro de la microrred (de dispositivos, interno y externo) Ha de ser capaz de manejar una amplia casuística de generación y consumos mediante algoritmos avanzados. Debe ser capaz de integrarse físicamente con la infraestructura de comunicaciones tanto de la distribuidora como del operador del sistema al cual se conecta. Se necesita incluir las siguientes características: Optimización de la energía total (tanto eléctrica como térmica) Gestión de la demanda. Asegurar el compromiso de las fuentes de energía con la cesión de potencia pactada. Adquisición de datos. Gestionar el conjunto de cargas y generadores de la microrred como un agregado frente al sistema eléctrico. RETOS TECNOLÓGICOS PROTECCIÓN Las microrredes deben ser capaces de coordinar los dispositivos de protección tanto en modo conectado como en modo aislado. En modo aislado las técnicas de detección de sobrecorriente no funcionan No existe corriente de falta proveniente de la red externa. Muchos equipos de generación disponen de electrónica de potencia que limita la corriente de falta. No es aconsejable que la protección en las microrredes dependa de un único elemento. BARRERAS REGULATORIAS ESTRUCTURAS DE MERCADO Es necesario: Desarrollo de estructuras tarifarias para microrredes. Formalizar la definición y derecho legales de las microrredes. Permitir comprar y vender energía a la red local además de poder negociar acuerdos bilaterales para proporcionar servicios auxiliares. Se debe instaurar un mercado y una gestión para las microrredes que sea descentralizado pero coordinado. Los mecanismos del mercado deben asegurar un suministro y un equilibrado de la generación con la demanda que sean eficientes, justos y seguros. BARRERAS REGULATORIAS CONEXIÓN CON RED LOCAL Incertidumbre ante exigencias de conexión a microrredes. Se deberían adoptar procedimientos estándares de conexión aplicables a las microrredes Obligatorios y suficientes. Lista de equipos precertificados para acelerar expedición de permisos. En dos niveles físicos Requisitos de conexión para los elementos de la microrred conectados a la red de baja tensión que conforma la microrred. Conexión de la microrred con la red de media tensión, especificando claramente cuales son los servicios auxiliares que una microrred puede y debe asumir. Se debería desarrollar un protocolo de seguridad y coordinación que asegurase la integridad y seguridad del personal de mantenimiento Entrada gradual, estableciendo límites con diseño tarifario adecuado. Proporción de información a organismos competentes. BARRERAS ECONÓMICAS El concepto de microrred debe probar que es rentable para lograr su diseminación. Se evitan los costes asociados al suministro tradicional de: Pérdidas en líneas eléctricas. Cargos por congestión. Las microrredes precisan de sistemas de almacenamiento para funcionar aisladas Incremento de costes de instalación y O&M. Beneficios asociados al disponer de un suministro más fiable. Conjugar factores anteriores para tratar de dimensionar óptimamente el tamaño del sistema de almacenamiento. Uso de cogeneración aporta grandes beneficios Calefacción, ACS. Procesos industriales. Enfriamiento y refrigeración. MICRORRED CENER Orientada a la aplicación industrial y concebida para dar servicio: Parte de las cargas eléctricas del LEA. Parte del alumbrado público del polígono industrial Rocaforte. La microrred puede funcionar de dos modos distintos: conectada a la red principal o aislada. Los principales objetivos de la instalación son: Gestionar la potencia generada en cada momento de manera que el suministro de energía a las cargas asignadas esté asegurado. Hacer que la potencia consumida por las cargas provenga en la medida de lo posible de fuentes renovables, fomentando de este modo la independencia energética del LEA. Proteger las instalaciones existentes de faltas procedentes tanto de la red eléctrica como de la microrred. Ser capaz de enviar los excedentes energéticos producidos a la red eléctrica, de forma que la microrred no funcione como un ente aislado de la red de distribución sino como parte activa de la misma. Servir como banco de ensayos para nuevos equipos, sistemas de generación, almacenamiento de energía y estrategias de control y protección de microrredes. MICRORRED CENER MICRORRED CENER GENERACIÓN G- Photovoltaic Installation 25 kWp G- Diesel Generator 55 kVA G- Wind turbine 20 kW full-converter MICRORRED CENER ALMACENAMIENTO S- Acid Pb Bateries, 50 kW x 2 hours MICRORRED CENER ALMACENAMIENTO S- Redox Battery 50 kW x 4 hours MICRORRED CENER CARGAS Sistema de control y gestión L- Three-phase load 120 kVA MICRORRED CENER MODELOS DE SIMULACIÓN t Clock v i Paero Qaero Sistemas de Generación 20 Vabc Pa_Pb Qa_Pb Pb_Pb Iabc Fr a b B C c Qb_Pb Pc_Pb 13 Paero 14 Qaero [Paero ] Aerogenerador [Vabc ] Perfil _viento 0 Plimite _aero cálculo potencias Vabc A Iabc B a b C c Kaero A B C A B C com A B C a b c Acometida aerogenerador Contactor Aerogenerador v i Pfotov Qfotov 15 Pfotov 16 Qfotov Kaero 48 Va_red _conectado 49 Vb _redconectado 50 Vc_redconectado [Vabc ] Vabc Iabc Fr P_Q_Fase_A P_Q_Fase_B PQ_B PQ_A Pa_red Qa_red Pb_red Qb_red Pc_red PQ_C Qc_red cálculo potencias 2 42 Pa_red _conectado 45 Qa _red _conectado 43 Pb_red _conectado 46 Qb_red _conectado 44 Pc_red _conectado 47 Qc_red _conectado A B C A B C [P_fotov ] Kfotov com A B C b c a Vabc A Iabc B a b C c Paneles fotovoltaicos Plimite _fotov Pot _Fotov 30 min [Vabc ] 0 Pa_Pb 17 [Pmed _Pb_faseA ] 18 Pb_Pb [Pmed _Pb_faseB ] 19 Pc_Pb [Pmed _Pb_faseC ] 22 Qc_Pb Modulo de baterias Pb SOC_bat_Pb Vbat_elevador P_carga_faseA Q_carga_faseA Vdc_bat_Pb P_carga_faseB Q_carga_faseB P_carga_faseC Q_carga_faseC Fase B Vabc Pmed_faseA Pmed_faseB Fase C Pmed_faseC KFotov KBat_Pb Aerogenerador. Paneles Fotovoltaico en tejado. Baterías Pb-ácido de gel. Batería de Flujo. Generador Diesel. Kaero _control Kaero Kfotov _control Kfotov Kbat _Pb Kbat _flujo Kcargas _LEA Kcargas _Pol Kcargas _prog Kmicrorred Kgeneradores KBat_Flujo Acometida photovoltaica Contactor fotovoltaica Freq _fases _abcP_Q_Fase_C Frecuencia de la red por fases 3 Medidor P _Q Monofasico 2 Filtrado 1 Qa _Pb Kgeneradores A N B C A B C Vabc Iabc a b c C c B b A a com A Freq_fases _abc Qc_Pb 21 Qb _Pb aislado com A a b B C c Vabc A Iabc B a b C c Frecuencia de la red por fases SOC _Pb 35 [SOC _bat _Pb] [VDC_bat _Pb] Medidor P _Q Monofasico C Red Electrica Medición Lado Alta SDS Trafo [Vbat _elevador ] Pbat _Pb_A Qbat _Pb_A Pbat _Pb_B Qbat _Pb_B Pbat _Pb_C Qbat _Pb_C [Vabc ] [Pmed _Pb_faseA ] [Pmed _Pb_faseB ] [Pmed _Pb_faseC ] Cargas Cargas LEA (alumbrado nave) KCargas_Pol KCargas_Prog KMicrorred KGeneradores KCargas_LEA Control lineas Kbat _Pb A Pa_cargas _LEA 1 Qa _cargas _LEA 4 Pb_cargas _LEA 2 Qb _cargas _LEA 5 Pc_cargas _LEA 3 Qc_cargas _LEA 6 Pa_carga_LEA Qa_carga_LEA Pb_carga_LEA PQ_B Qb_carga_LEA Pc_carga_LEA Qc_carga_LEA PQ_C P_Q_Fase_CFreq _fases _abc Fr P_Q_Fase_B Iabc PQ_A P_Q_Fase_A Vabc com A B C a b c Vabc A Iabc a b c C B Fase A A B C B C Acometida batería Pb Contactor baterias Pb 37 Va_red _aislado 23 38 Vb_red _aislado 39 Vc_red _aislado Vabc Vabc Pa_flujo Qa_flujo Pb_flujo Qb_flujo Pc_flujo Qc_flujo Medidor P _Q Monofasico 4 Frecuencia de la red por fases 4 [Pmed _flujo _faseA ] Pa_flujo 26 Qa_flujo 24 Pb _flujo 27 Qb_flujo 25 Pc_flujo 28 Qc_flujo Pbat _flujo _A 0 Pbat _flujo _B 0 Filtrado 2 Sistema _ Cargas _LEA Pa _cargas _LEA _30 min Qa _cargas _LEA _30 min Pb _cargas _LEA _30 min A Qb _cargas _LEA _30 min Pc_cargas _LEA _30 min Qc _cargas _LEA _30 min [Vabc ] C c b B a A Iabc Iabc [Pmed _flujo _faseB ] [Pmed _flujo _faseC] Acometida Cargas LEA A Contactor Cargas LEA a com A Fr Freq_fases _abc Kcargas _LEA Frecuencia de la red por fases 1 Medidor P _Q Monofasico 3 Modulo de baterias Flujo B B b B SOC_flujo 36 Pa _cargas _Pol 7 Qa_cargas _Pol 10 Pb _cargas _Pol 8 Qb_cargas _Pol 11 Pc_cargas _Pol 9 Qc _cargas _Pol 12 C C c C Vabc A Pbat _flujo _C 0 [Vabc ] [Pmed _flujo _faseA ] [Pmed _flujo _faseA ] [Pmed _flujo _faseA ] Pa_carga_Pol Qa_carga_Pol Pb_carga_Pol Kbat _flujo PQ_A com A a b Iabc a b c C B A P_Q_Fase_A PQ_B P_Q_Fase_B Vabc A B C Pa _cargas _Prog Pb _cargas _Prog Pc_cargas _Prog Qa_cargas _Prog Qb_cargas _Prog Qc _cargas _Prog [PGdiesel ] Kaero Kfotov Pa_cargas _LEA _30 min Pb_cargas _LEA _30 min Cargas Polígono (alumbrado público) Cargas Programables (Resistencia e Inductancias) Instalación eléctrica. Sistema de control y gestión de la energía. P_bat_flujo _A Pbat _flujo _A Pa_cargas_Prog Pb_cargas_Prog P_bat_flujo _B Pbat _flujo _B Pc_cargas_Prog Qa_cargas_Prog P_bat_flujo _C Pbat _flujo _C Qb_cargas_Prog Qc_cargas_Prog Pgenerador_diesel P_bat_Pb_A Pbat _Pb_A Kaero Kfotov P_bat_Pb_B Pbat _Pb_B Pa_cargas_LEA Pb_cargas_LEA P_bat_Pb_C Pbat _Pb_C Pc_cargas _LEA _30 min Pc_cargas_LEA B Iabc Fr B C c Qb_carga_Pol Pc_carga_Pol Qc_carga_Pol PQ_C P_Q_Fase_CFreq _fases _abc C Acometida batería Flujo Contactor bateria Flujo Medidor P _Q Monofasico 5 Frecuencia de la red por fases 5 Filtrado 3 Sistema _ Cargas _Alumbrado _Poligono Vabc Objetivo Qb _cargas _LEA _30 min Qc_cargas _LEA _30 min Pa_cargas _Pol _30 min Pb_cargas _Pol _30 min v Paero Qaero Qa _cargas _LEA _30 min Qa_cargas_LEA V_bat_elevador [Vbat _elevador ] Qb_cargas_LEA Qc_cargas_LEA Q_bat_Pb_A Qbat _Pb _A Pa_cargas _Pol _30 min Qa_cargas _Pol _30 min Pb_cargas _Pol _30 min A Iabc Acometida Cargas Poligono A A Pa_cargas_Pol Contactor Cargas Poligono a com A Kcargas _Pol Qb_cargas _Pol _30 min Pc_cargas _Pol _30 min Qc_cargas _Pol _30 min [Vabc] B a b C c B B b B 40 PGdiesel 41 QGdiesel Dnerador Diesel Pc_cargas _Pol _30 min i C C c C Qa_cargas _Pol _30 min cálculo potencias 1 Qb_cargas _Pol _30 min [PGdiesel ] Pa_cargas _Prog 29 Qa _cargas _Prog 30 Pb_cargas _Prog 31 Qb _cargas _Prog 32 Pc_cargas _Prog 33 Qc_cargas _Prog 34 Pa_carga_Prog Qa_carga_Prog Pb_carga_Prog PQ_B Qb_carga_Prog Pc_carga_Prog Qc_carga_Prog PQ_C P_Q_Fase_CFreq_fases _abc Fr P_Q_Fase_B Iabc PQ_A Vabc A Iabc a b b c c C B P_Gdiesel _ref Qc_cargas _Pol _30 min KGdiesel A P_Q_Fase_A Vabc com A B C a Q_Gdiesel _ref [Paero ] Desarrollo del sistema de gestión previa implementación real. Desarrollo de diferentes estrategias de gestión de la energía Pb_cargas_Pol fcn Q_bat_Pb_B Qbat _Pb _B Pc_cargas_Pol Qa_cargas_Pol Q_bat_Pb_C Qbat _Pb _C Qb_cargas_Pol Qc_cargas_Pol Pgenerador diesel_ref _ P_Gdiesel _ref A B C B C [Vabc ] [P_fotov ] Acometida Generador Diesel Contactor Generador Diesel Medidor P _Q Monofasico 6 Frecuencia de la red por fases 6 [SOC _bat _Pb] Filtrado 4 Cuadro Cargas Programables Sistema _ Cargas _Programables Vabc A Iabc [VDC_bat _Pb] SOC_bat _flujo Acometida Cargas Programables A A Contactor Cargas Programables a com A VDC_bat _flujo Kcargas _prog B a Kgeneradores b C B B b B aislado [Vabc] c C C c C Kcargas _LEA Kcargas _Pol Aporta rapidez y versatilidad. Parametrización de diferentes escenarios de generación y consumo Programación de estrategias de control optimas y precisas. Pfotov SOC _bat_Pb Qgenerador diesel_ref _ Paero Q_Gdiesel _ref Vdc _bat_Pb SOC _bat_flujo KGdiesel KGdiesel Vdc _bat_flujo Kgeneradores Plimite_fotov Plimite _fotov Kaislado Kcargas_LEA Plimite_aero Plimite _aero Kcargas_Pol Kcargas _prog Kcargas_Prog Kaero_control Kaero _control Kbat _Pb Kbat_Pb Kbat _flujo Kbat_flujo Kfotov _control Kfotov _control Control 1 conectado a red , 0 aislado aislado Step MICRORRED CENER SISTEMAS DE PROTECCIÓN Sistemas de Protección/Medida Sistemas de protección tanto para el funcionamiento del sistema en modo conectado como aislado. Sistema de medida integrado que permite realizar el control óptimo de la energía. Calibración interna de sus medidas para asegurar el correcto funcionamiento de la instalación y mantener los estándares de calidad. Relé teledisparado por Iberdrola en caso de ausencia o defecto en la red de media tensión de la que cuelga la instalación (provoca la apertura inmediata del contactor de cabecera) Relé de detección de mínima/máxima tensión (provoca la apertura inmediata del contactor de cabecera) Lectura de datos de las protecciones Protección individual de los equipos de la microrred Sistema de Protección Compañía Eléctrica Relé de min/max tensión Relé de teledisparo MICRORRED CENER COMUNICACIONES Modbus RTU Ethernet Fibra óptica Armario de Comunicaciones y Servidor Almacenamiento de datos en Servidor Cener. Sistema integrado dentro de la red de Cener. Accesibilidad desde cualquier punto de conexión del centro e incluso desde el exterior. Conversor Fibra Óptica a Ethernet Módulos MODBUS (Com. Protecciones) MICRORRED CENER CUADRO DE CONTROL Diseño y ejecución desarrollado íntegramente en Cener. Control total sobre la instalación eléctrica del la instalación. Sistema de Control de la instalación Sistema basado en PLC de Siemens S//300 Aporta robustez a la instalación. Eficiencia ampliamente comprobada en el entorno industrial. Sistema de programación estándar y ampliamente utilizado en la industria. Programado íntegramente en Cener Control total sobre la programación de la microrred. Programa de gestión de la energía Microrred MICRORRED CENER INTERFACES DE USUARIO/MÁQUINA SISTEMA SCADA Desarrollo de estructuras tarifarias para microrredes. Diseñado y desarrollado íntegramente en Cener. Desarrollado con la herramienta de Siemens Simatic WinCC. Control descentralizado sobre la instalación en tiempo real. Control sobre los equipos, control de parámetros, visualización y almacenamiento de datos, eventos, alarmas, etc. Pantalla Principal del Scada MICRORRED CENER INTERFACES DE USUARIO/MÁQUINA SINÓPTICO Diseño y ejecución desarrollado íntegramente en Cener. Control centralizado sobre la instalación a nivel de usuario. MICRORRED CENER ESTRATEGIAS DE CONTROL OBJETIVO: verificar el correcto funcionamiento técnico de la instalación, sin hacer hincapié en un exhaustivo aprovechamiento económico y energético de los recursos renovables. Modo Conectado Objetivo Evitar consumir energía de la red publica aportando el déficit de energía a través de los sistemas de almacenamiento. Almacenar el excedente de energía de origen renovable siempre que sea posible. Modo Aislado Objetivo: Gestionar la energía generada a partir de los sistemas renovables y la energía demandada por las cargas (consumos) Suplir la ausencia de red. Disponer de la máxima energía acumulada en los sistemas de almacenamiento. Evitar en la medida de lo posible la utilización del grupo diesel. 24 MICRORRED CENER ESTRATEGIAS DE CONTROL. TRANSICIONES Modo Automático Modo Conectado Modo Aislado El sistema encargado de generar la red, realiza la transición de manera automática y originada por: Apertura del contactor de cabecera a través del relé teledisparado por Iberdrola. Apertura del contactor de cabecera a través del relé de detección de mínima/máxima tensión. Detección de ausencia o defecto de red por parte del sistema encargado de generar la red. Modo Aislado Modo Conectado El sistema encargado de generar la red, realiza la transición de manera automática y originada por: El sistema de control evalúa la ausencia de errores y el estado de la red, rearmando la instalación en el caso de que el resultado sea correcto. Transición Modo Conectado a Aislado por caída de tensión de 10.000 V en la red de MT de Iberdrola. Transición Modo Aislado a Conectado 25 MICRORRED CENER LÍNEAS FUTURAS Nuevos equipos: microturbina de gas con aprovechamiento térmico (calor y frio); supercondensaores (dos tecnologías) Parametrización y Validación de los modelos a partir de diferentes ensayos en régimen permanente. Ajuste de los modelos para validación del comportamiento en régimen transitorio. Predicción de la respuesta del sistema ante diferentes eventos. Elaboración de estrategias de control atendiendo a: Criterios económicos. Aprovechamiento energético. Disposición de diferentes sistemas de almacenamiento y generación renovable. Integración del coche eléctrico: El coche eléctrico como parte de gestión de la energía. Reducción de micro-cortes en las transiciones. Reducción de los tiempos de ciclo de la comunicación. Publicación de la pagina Web de la Microrred. CENER ¡MUCHAS GRACIAS! [email protected] www.cener.com