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La tecnología de electrónica de potencia y su control: Pieza clave para la integración en la red eléctrica de plantas de generación híbridas basadas en renovables y almacenamiento

Presentación de D. Sergio Hurtado Cuerva, Director Técnico de GPtech, en la jornada: “Almacenamiento de energía: ¿la clave de la transición energética?", celebrada en formato online el 24 de noviembre de 2020, en el marco del Ciclo CTA sobre el Nuevo Modelo Energético en Andalucía patrocinado por Iberdrola.

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Electrónica de potencia y control:
Pieza clave para la integración en la red de plantas de
generación híbridas
basadas en renovables y almacenamiento
Sergio Hurtado Cuerva. CTO
a GPTech Corporation
Visión de la compañía
La línea de negocio principal se enfoca en la Integración de Energías Renovables a gran Escala
Solución completa de
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cumplimiento de cualquier
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Ofrecemos una solución
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US-MA,SMART - 75MW / 105 MWh
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US-HI, LAWAI - 28MW / 116 MWh
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US-PR, ORIANA - 22MW / 4,2 MWh
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US-PR, SALINAS – 5,5MW / 1,26 MWh
*Committed US-HI: +100 MW/ 512 MWh
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*CL, ANDES - 116 MW / 640 MWh
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Proyectos realizados
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La tecnología de electrónica de potencia y su control: Pieza clave para la integración en la red eléctrica de plantas de generación híbridas basadas en renovables y almacenamiento

  • 1. experience knowledge strategy Noviembre de 2020 Electrónica de potencia y control: Pieza clave para la integración en la red de plantas de generación híbridas basadas en renovables y almacenamiento Sergio Hurtado Cuerva. CTO
  • 3. Visión de la compañía La línea de negocio principal se enfoca en la Integración de Energías Renovables a gran Escala Solución completa de Estación Inversor para grandes Plantas FV con capacidades avanzada de control y regulación de potencia para el cumplimiento de cualquier requerimiento técnico Producto de almacenamiento llave en mano diseñado para resolver todos las necesidades técnicas. Ofrecemos una solución personalizada pero plenamente contrastada para aplicaciones de redes de Generación, Trasmisión y Distribución Líderes en soluciones de STATCOMs para la mejora en el comportamiento de plantas renovables y servicios complementarios. La clave para alcanzar la mejor estabilidad de red y un rendimiento superior Basado en nuestra fuerte experiencia como integradores de sistemas energéticos, añade una nueva vision, uniendo algoritmos de control especializados sobre la ultima tecnología de EP: Power Plant Controllers. Sistemas Híbridos en los que se integra múltiples dispositivos AC o DC de forma sencilla y eficaz. Interactuar y controlar cualquier fuente, con una producción optimizada de energía renovable e interacciones económicas con los servicios de la red.
  • 4. Massachusetts, US La Paz, MX Hawaii, US Puerto Rico, US New Orleans, US Băilești, ROU Katherine, AU Korea, KOR US-MA,SMART - 75MW / 105 MWh US-HI, KEKAHA - 21MW 87 MWh NEW ORLEANS – 1,5 MW / 0,5 MWh US-HI, LAWAI - 28MW / 116 MWh MX-LA PAZ , GAUSS - 10MW / 5,6 MWh US-PR, ORIANA - 22MW / 4,2 MWh US-LA, New Orleans- 1,5MW / US-PR, SALINAS – 5,5MW / 1,26 MWh *Committed US-HI: +100 MW/ 512 MWh 265 MW / 830MWh* ECU, BALZAY - 0,25MW / 0,25MWh BR, BUZIOS - 0,1MW / 0,2 MWh *CL, ANDES - 116 MW / 640 MWh 116,25 MW/640,45MWh* SP – 2 MW / 0,11 MWh RU – 1 MW / 1 MWh PT – 0,11 MW/ 0,16 MWh 3,11 MW/1,26 MWh KOR - 0,75MW / 0,75MWh AU - KATHERINE - 6MW / 3,5 MWh 6,5 MW/5,5 MWh Andes, CL x5 Proyectos realizados ESS integrados en más de 20 plantas en todo el mundo que superan los 380MW / 1500 MWh de Almacenamiento.
  • 5. Sistemas Híbridos con almacenamiento Soluciones de Electrónica de Potencia - Nuevas soluciones de EP. Sistemas de control - Nuevas funcionalidades de control Electrónica de Potencia en Sistemas Híbridos
  • 6. Sistemas Híbridos con almacenamiento Un Sistema Híbrido integra diferentes tecnologías en un Sistema de Generación único de mayores prestaciones. El Almacenamiento es uno de los principales vectores de Flexibilización de los sistemas eléctricos. Una planta de generación Híbrida ofrece las siguientes cualidades: • Garantizará la producción prevista de la planta. • Aumentará la capacidad de generación renovable. • Posibilitará la venta de la energía generada a mejores precios. • Posibilitará la oferta de servicios auxiliares al Sistema como respuesta al control de frecuencia o soporte al arranque del sistema desde cero (Black Start).
  • 7. Soluciones de EP a la hibridación de sistemas H2O O2H2 - + La naturaleza eléctrica de los principales sistemas de almacenamiento actuales es la CC. DC AC DC AC DC AC Vdc = f(SOC) ϵ (500, 1500 ) V Vdc = f(T) ϵ (500, 1500 ) V Vdc = f(Q) ϵ (300, 500 ) V La electrónica de potencia debe proporcionar: 1) Conversión AC a DC 2) Control de flujos de potencias entre elementos. 3) Acoplamiento de tensiones entre diferentes dispositivos del sistema. Hasta hace muy poco el acoplamiento entre los distintos sistemas de generación, almacenamiento y carga se ha realizado en AC. Sigue siendo la mejor opción para plantas independientes. Sin embargo, para plantas híbridas aparece el acoplamiento DC como alternativa. Vac1 Vac2 Vac3 Vac
  • 8. Soluciones de EP a la hibridación de sistemas H2O O2H2 - + DC AC La naturaleza eléctrica de los principales sistemas de almacenamiento actuales es la CC. DC DC DC DC Vdc = f(SOC) ϵ (500, 1500 ) V Vdc = f(T) ϵ (500, 1500 ) V Vdc = f(Q) ϵ (300, 500 ) V Vdc > 1500 V Las ventajas del acoplamiento en DC son: 1) Menor potencia total instalada. 2) Reducción en numero de transformadores y conexiones en MV. 3) Mejor eficiencia de los convertidores, lo cual implica mayor eficiencia en gestión interna de la energía. 4) Reducción o eliminación de perdidas por “clipping”. Limitaciones del acoplamiento en DC: 1) Aislamiento galvánico.→ DAB 2) Limitación en tensión máxima. → M2C. SST
  • 9. Soluciones de EP a la hibridación de sistemas + - AMPS Technology - 2800 MWac - 3600 MWdc BMS DC Device 1 DC Device 2 DC Device 3 DC Device 4 MM Head Cabinet GPTech’s auxiliary system Customer’s auxiliary system Service port Control port Power Module 1 Power Module 2 MM MM MM MM BMS DC Device 5 DC Device 6 DC Device 7 DC Device 8 Power Module 3 Power Module 4 MM MM MM DC AC DC DC DC DC DC DC DC DC DC DC DC DCDC AC Vi1 Vn1 Vi2 Vn2 ... N<12 1/NFY+ 1/1FY+ ... N<12 1/NFY+ 1/1FY+ AMPS. Estación de potencia Multi Puerto. H2O O2H2 - +
  • 10. Nuevas Soluciones. DAB y convertidores DCDC distribuidos La topología DAB (Dual Active Bridge) permite convertidores DC/DC con la capacidad de conectar múltiples fuentes DC en paralelo, pero incluyendo aislamiento galvánico entre ellas mediante el uso de transformadores de muy alta frecuencia y semiconductores de Carburo de Silicio Las principales aplicaciones de la tecnología son: Optimizador de campo Fotovoltaico. Mejora el seguimiento de PMP y las perdidas por Mismatching. Convertidor de rack de batería. Permite la reducción de las Corrientes de cortocircuito ante fallos del Sistema y aumenta la disponibilidad del mismo. Aplicaciones de Trasformadores de Estado Solido (SST). Integración en celdas en topologías M2C para Convertidores de Alta Tensión. ▪ Flujo de potencia Unidireccional ▪ Generación FV ▪ Electrolizador o Celda de combustible ▪ Flujo de potencia bidireccional ▪ Baterías. ▪ Electrolizadores +Celda de combustible Soluciones de EP a la hibridación de sistemas Power stack #1Power stack #2 Power stack #1Power stack #2
  • 11. CONTROL SUPERVISION LAYER 4 Grid / Utility Level Controls the electrical Power Grid. Provides control functions related to the complete electrical Grid: - Automatic Generartion Control - Automatic Voltage Regulation Highest level of the hierarchy. Supervisation of the Power Facilities, Transmission and Distribution lines, etc Highest level of the hierarchy. LAYER 3 Plant Level Supervisation of all the components of the Facility. Provides functions of data storage, analysis and visualization for all components of the Facility. Basic dispatch functions on different components: - Change of Mode Of Operation - Stop / Run LAYER 2 Multi Station Level Supervisation of collections of Advanced Multi-port Power Station, PV String Inverters and Trackers. Provides the status and measurements of aggegation of homogeneous or heterogeneous devices and sensors. Basic dispatch function such as: - Change of Mode Of Operation - Stop / Run - Active and Reactive Power Setpoints LAYER 1 Device Level Supervisation of single type of resources in direct control with the resource. Provides the status of the resource along with measurements: - Operating mode - State of Charge - Active Power, Reactive Power, Voltage, etc - Etc Device And Sensors Level Collections and Multi Station Level Grid / Utility / IPP Portfolio Level Plant Level Controls the electrical characteristics at the Point Of Interconnection Provides control functions related to the complete Facility: - Active Power Curtailment - Reactive Power Control - Power Supply Capacity - Etc Controls the electrical characteristics at the virtual aggregation of the LV side of the step-up transformer of every Advanced Multi-port Power Station Provides control functions related to the complete multi station: - Active Power Control - Reactive Power Control - SOC Management - Etc Controls the electrical characteristics of a single type of resource at the terminals of the converter. Provides control functions related to the resource and the converter: - Voltage Maximum Power Point Tracking - Active Power Control - Reactive Power Control - Voltage Control - Cell balancing - Etc RESPONSEREQUEST CONTROL FLOW EMS Control de sistemas híbridos distribuidos Estructuras avanzadas de control distribuido Battery System Controller Section Controllers Advanced Multi-port Station Controller Battery System Controller DC/DC Modules DC/AC Modules Local Area Network Advanced Multi-port Power Station Digital Signal Processor DC/DC Modules; DC/AC ModulesModules And Sections Controllers Lawai Network Backbone Multimode Fiber Optic Ring Service & Maintenance Embedded PC Facility Independent Power Producer Local Area Network Power Plant Controller Internet Firewall & Router Facility & Switchyard Fiber Optic Links Controller Area Network Advanced Multi-port Power Station SCADA Utility Power Plant Controller through RTU Layer 4, Utility / Grid Level Layer 3, Facility Level Layer 2, Station Level Layer 1, Device & Sensor Level Layers legends: Human Machine Interface Power Plant Controller Data Acquisition Module Advanced Multi-port Station Controller Fast Power Analyzer Point Of Interconnection Electrical Characteristics Switchyard UtilityEnergy Management Monitoring Module Fast Power Analyzer Power Plant Controller Advanced Multi-port Station Controllers Power Plant Controller Central Processor Fast Power Analyzer Advanced Multi-port Station Controllers Dynamic System Monitor TESLA4000 Real Time Automation Controller Power Plant Controller, Relays IPP Remote SCADA IPP Local SCADA Remote Terminal Unit Power Plant Controller Relays IPP Local SCADA Server & Workstation Data Acquisition Modules Local Area Network SCADA Control Center GPTech Remote Access PPC, EMS-MM, etc PV String Inverters Controllers Trackers Controllers Meteo Stations
  • 12. • Las plantas híbridas, pueden tener la capacidad de funcionar desconectadas de la red eléctrica, funcionando en redes aisladas de forma permanente o en caso de emergencia. • Un inversor funcionando como fuente de tensión debe de tener la capacidad de funcionar en paralelo con la red o con otras fuentes de tensión, ya sean basadas en electrónica de potencia o generadores síncronos convencionales. • Por tanto los inversores de conexión a red de plantas híbridas deben de operar de una forma similar a la que lo hace un generador síncrono conectado a red. Eso implica: • Generación de forma de onda de tensión de frecuencia dependiente de la potencia demandada instantáneamente. • Generación de forma de onda de tensión de amplitud dependiente de la potencia reactiva demandada instantáneamente. • Capacidad de sincronización y conexión con otras fuentes de tension (red u otros generadores síncronos locales) f = fref-M*Pfref f P fref’ -Pnom Pnom v = vref-N*Qvref v Q vref’ -Qnom Qnom Control de sistemas híbridos distribuidos Nuevas Funcionalidades. Generacíon de red y modo generador síncrono.
  • 13. • E-broker es un algoritmo patentado de Gestión de Energía enfocado en la optimización de sistemas con almacenamiento. El algoritmo optimiza la gestión de cualquier almacenamiento de energía de modo continua, basado en técnicas de “Machine Learning”. • El producto final se compone de los siguientes bloques • Una herramienta de entrenamiento inicial del algoritmo para aplicaciones predefinidas o específicas. • Una plataforma de control local que ejecutará el algoritmo ya entrenado sobre la planta de generación. Esta plataforma tomará decisiones basadas en las previsiones y medidas instantáneas de temperatura, irradiación solar, energía demandada actual e histórica, estado del sistema eléctrico, precios de la energía, etc… • Una plataforma de supervisión y control funcionando en la nube. Esta plataforma recogerá las decisiones de los controles locales y evaluara sus decisiones, evolucionando y mejorando las capacidades del algoritmo mediante un proceso de refuerzo del aprendizaje. Control de sistemas híbridos distribuidos Nuevas Funcionalidades. E-Broker Sistema de Gestión de Energía. CONTROL LAYER 4 Grid / Utility Level Controls the electrical Power Grid. Provides control functions related to the complete electrical Grid: - Automatic Generartion Control - Automatic Voltage Regulation Highest level of the hierarchy. Supervisation of the P Highest level of the h LAYER 3 Plant Level Supervisation of all th Provides functions of the Facility. Basic dispatch functio - Change of Mode Of - Stop / Run LAYER 2 Multi Station Level Supervisation of colle Inverters and Tracker Provides the status a heterogeneous devic Basic dispatch functio - Change of Mode Of - Stop / Run - Active and Reactive LAYER 1 Device Level Supervisation of singl Provides the status o - Operating mode - State of Charge - Active Power, Reac - Etc Device And Sensors L Collections and Mult Grid / Utility / IPP Po Plant Level Controls the electrical characteristics at the Point Of Interconnection Provides control functions related to the complete Facility: - Active Power Curtailment - Reactive Power Control - Power Supply Capacity - Etc Controls the electrical characteristics at the virtual aggregation of the LV side of the step-up transformer of every Advanced Multi-port Power Station Provides control functions related to the complete multi station: - Active Power Control - Reactive Power Control - SOC Management - Etc Controls the electrical characteristics of a single type of resource at the terminals of the converter. Provides control functions related to the resource and the converter: - Voltage Maximum Power Point Tracking - Active Power Control - Reactive Power Control - Voltage Control - Cell balancing - Etc RESPONSEREQUEST CONTROL FLOW EMS E-BrokerAlgorithm
  • 14. Conclusiones Las capacidades imprescindibles para la optimización de las plantas híbridas son 1. Acoplamiento en continua. • Mejor rendimiento y producción. • Menor coste 2. Funcionamiento en modo fuente de tensión • Mayor funcionalidad para mayor número de aplicación. 3. Algoritmos avanzados de optimización en la gestión del almacenamiento • Mejor recuperación de la inversión. • Mayor soporte al sistema eléctrico.
  • 15. Avda. de Camas 28-26, PIBO 41110 Bollullos de la Mitación, SEVILLE SPAIN eks 501 W Broadway, San Diego, CA 92101, United States eksenergy.com