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WO2010109031A1 - Dispositivo de gestión integral de microproducción de energía eléctrica - Google Patents

Dispositivo de gestión integral de microproducción de energía eléctrica Download PDF

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WO2010109031A1
WO2010109031A1 PCT/ES2009/070594 ES2009070594W WO2010109031A1 WO 2010109031 A1 WO2010109031 A1 WO 2010109031A1 ES 2009070594 W ES2009070594 W ES 2009070594W WO 2010109031 A1 WO2010109031 A1 WO 2010109031A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
network
management device
control
energy
microproduction
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/ES2009/070594
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alfredo QUIJANO LÓPEZ
Francisco Ruz Vila
Ana María NIETO MOROTE
Marta GARCÍA PELLICER
Vicente Fuster Roig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Instituto De Tecnologia Electrica Ite
Original Assignee
Instituto De Tecnologia Electrica Ite
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Instituto De Tecnologia Electrica Ite filed Critical Instituto De Tecnologia Electrica Ite
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/04Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks for connecting networks of the same frequency but supplied from different sources
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
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    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/70Smart grids as climate change mitigation technology in the energy generation sector

Definitions

  • the present invention refers to a device for the integral management of microproduction of electric energy whose purpose is to facilitate in a single device an integral manager of microproduction of electric energy of small facilities, allowing to control in a coordinated way all the internal elements that make up the installation, the connection elements to the main power grid, as well as the part of that installation downstream of the microgenerator, in order to work in coordination with other external elements of generation and consumption
  • the invention is especially applicable in installations of microproduction of electrical energy components of an electric micro grid with a multitude of small generators which for a good operation must establish a coordination between the different agents involved in the distribution system, such as production, consumption, protection and storage
  • the application was carried out in two fields: the transport of electrical energy and the control of a particle accelerator.
  • the objective was to provide a decision tool that would support the network control and management engineers in the presence of disturbances.
  • the idea was to create a software environment that would interact with pre-existing systems using common data distribution platforms, in order to "reason" with information containing different levels of detail and use different ways of obtaining the solutions, as well as to be able to make them more flexible. for different types of networks.
  • the invention consists of a device for the integral management of microproduction of electrical energy, applicable to an installation of microgeneration of electrical energy that basically has a microgenerator such as solar panels, windmills or another connected to a DC / DC converter that in turn connects to a DC / AC inverter; so that through an interconnection device the inverter connects to a main power grid; it can also connect with said interconnection device a micro-network formed by a plurality of energy microgeneration installations similar to that described.
  • the management device thereof is a hardware platform with certain programming where control of all the elements of the energy microgeneration installation and control over operations of the interconnection device is integrated into a single device, which is commanded by a global network manager; so that The energy generation instructions can be established from two different and coordinated decision systems: an internal one based on the interests of the owner of the energy microgeneration facility and an external one based on the needs of the rest of the network.
  • control over operations of the interconnection device by means of the management device has means for blocking orders from the global network manager, depending on parameters of the microgeneration installation such as generation capacity, level of consumption downstream of the microgenerator, stored energy, quality of supply and electrical safety.
  • the coordinated action of its two decision systems may not be limited to a connection / disconnection signal of the microgeneration system of the network, said action additionally including a regulation of parameters such as power of output, power factor correction, supply quality and operation on the island based on the generation and consumption estimate.
  • said management device has a functional block structure consisting of an analog sensor measurement module linked to a first DSP digital signal processor module and an alarm module that also connects to a second module.
  • DSP digital signal processor connected to a digital input and output module and signals for power electronics that also connects to the alarm module; connecting this second processor module with an interface module with hierarchical network management structure;
  • the two DSP processor modules are interconnected by means of a communication module.
  • the aforementioned modules are they can structure in a block corresponding to the first DSP processor module, a block corresponding to the second DSP processor module, a block corresponding to said interface module that connects with a coordinated network manager external to the management device, a control circuit block, generation and storage of energy that connects by means of control and command signals with the installation of microgeneration of energy, and a block of control circuitry of the inverter and connections to network and microrred that by means of control and command signals connect in addition to with the said installation with the interconnection device.
  • said inteface module includes an integral network state analyzer that, in addition to controlling wave quality parameters, is also responsible for estimating both local production and downstream demand of microproduction and energy storage capacity of the installation; facilitating an autonomous choice of the mode of operation that allows instantaneously reconfiguring the installation topology to change its functionality; using a decision algorithm based on fuzzy logic to prioritize the modes of operation; so that said algorithm allows to establish a ranking based on which the mode of operation and the transitions between them are established based on internal information and the rest of the network, according to the parameters provided by said integral network status analyzer , according to the internal alarm system of the microproduction and according to external instructions.
  • said inverter control circuit block and grid and microrred network connections have vector control algorithms of the inverter, DC / AC; so that with network connection a vector control is exercised using three control loops and without network connection a vector control using four control loops.
  • the management device thereof receives two types of data corresponding to:
  • At least one of the following seven types of data is automatically established and based on these two types of data: a) generator exporting to the network all the power generated with downstream loads disconnected; b) generator working in parallel with the main network feeding parallel to downstream consumption; c) generator feeding on the island the consumption of downstream waters; d) generator loading storage systems; e) storage by exporting the accumulated energy to the network; f) storage feeding downstream consumption on the island, and g) generator disconnected.
  • the generating device thereof emits three types of data corresponding to: PWM signal for power electronics; command signals to configure both the internal structure of the installation and the connection to the network and to the consumables that can be fed on the island; and internal status signals for the network manager.
  • the said management device carries out in that preferred embodiment of the invention and based on the data received operations of: estimation of the short-term energy production capacity; short-term consumption estimate; estimation of the charge status of the accumulators; estimation of the state of the external network; alarm status analysis; decision on the type of optimal operation among the seven described above; DC / DC converter or regulator control, depending on the mode of operation; and control of the DC / AC inverter, depending on the mode of operation.
  • the device of the invention has the fundamental advantage that it allows an integral control of the corresponding installation of microproduction of electric energy with respect to its own operation and with respect to its integration with other similar installations and with a main network , allowing to establish a coordination between different agents involved in the distribution system, such as production, consumption, protection and storage.
  • the device of the invention has the advantage of facilitating improvements in the performance of the energy microproduction installation and reduction in the time required to change its operating modes.
  • Another advantage of the device of the invention consists in in that it allows a relationship between the installation of microgeneration of electrical energy and the rest of the network that is not reduced to a simple connection-disconnection of the installation, but makes it possible to make decisions locally conditioned by external information, without being subject to the same and allowing varying various parameters in energy transfers.
  • control strategies in network connection and in an isolated system flexibility is facilitated that does not require significant changes in the device, based on changes in the sensed signals.
  • Figure 1. Represents a functional block diagram of the application environment of a device for integral generation of microproduction of electric energy made according to the present invention.
  • Figure 2. Represents a functional block diagram of the management device itself referred to in the previous figure 1.
  • Figure 3 Schematically represents the device and corresponding application environment of the previous figures, in greater detail regarding its physical, circuitry and connection elements.
  • the management device 1 of the present example is applied to an energy microgeneration installation electric 2 that basically has a microgenerator 6 a DC / DC converter 7 and a DC / AC inverter 8, as can be seen in Figure 1.
  • Installation 2 connects to an interconnection device 3 based on contactors, switches or a combination of both.
  • This interconnection device 3 connects with a main electrical network 5 and with a micro network 4 formed by a plurality of energy microgeneration installations similar to that described, as can also be seen in the aforementioned figure 1.
  • Microgenerator 6 will normally consist of solar panels, windmills or any other element of microgeneration of electrical energy.
  • the management device 1 of the present example shows connectivity with all the elements of the installation 2, as well as with the network 5, the micro network 4 and the interconnection device 3.
  • This allows integration into a single device the control of all the elements of the installation 2 and a control on operations of the interconnection device 3 that is commanded by means of a global network manager.
  • the energy generation instructions are established internally and externally in a coordinated manner, depending on the interests of the owner of the installation 2 and the needs of the network 5, and so that the action on the interconnection device 3 does not It is limited to the connection / disconnection of installation 2, but includes the regulation of parameters such as output power, power factor correction, supply quality and others.
  • FIG. 2 shows the functional block structure of the management device 1 of the present example, which is carried out by means of an analog sensor measurement module 9 that connects with a first DSP digital signal processor module 10 and with a module of alarms 13.
  • This alarm module 13 connects in turn with a second DSP 12 digital signal processor module that is connected to a digital signal input and output module for power electronics 11, this module 11 being also connected to the alarm module 13.
  • the second processor module 12 it connects with an interface module 14 with hierarchical network management structure, while the two DSP processor modules 10 and 12 are interconnected through a communication module 15.
  • the aforementioned modules 9 to 15 of the management device 1 can be structured at the circuit level in a block corresponding to the first DSP processor module 10, a block corresponding to the second DSP processor module 12, a block corresponding to the aforementioned interface module 14 that is connected with a coordinated network manager 18 external to the management device 1, an energy control, generation and storage block 17 that connects via control and command signals to the microgeneration installation of energy 2, and a control circuit block of the inverter and network and micro-network connections 16 which, in addition to the said installation 2, connects with the said installation 2 with the interconnection device 3.
  • this figure 3 shows a greater detail of the physical elements that make up the installation 2, as well as their connectivity with the management device 1.
  • the interface module 14 includes an integral network state analyzer that controls wave quality parameters and is responsible for estimating local production and downstream demand of microproduction, as well as energy storage capacity .
  • control circuit block of the inverter and network connections and The micro-network 16 of Figure 3 has vector control algorithms of the inverter 8, so that with network connection a vector control is exercised using three control loops and without network connection a vector control is exercised using four control loops.
  • the management device 1 of the present example allows the following types of operation:
  • Generator exporting to the network all the power generated with downstream loads disconnected. Generator working in parallel with the main network feeding parallel to downstream consumption.
  • the programming implemented in the management device 1 performs the following operations:
  • Estimate of short-term energy production capacity Estimate of short-term consumption.
  • Estimation of the charge status of the accumulators Estimation of the state of the external network. Analysis of the alarm status.
  • the management device 1 of the present example issues three types of data:
  • Command signals to configure both the internal structure of the installation and the connection to the network and to the consumables that can be fed on the island.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
  • Remote Monitoring And Control Of Power-Distribution Networks (AREA)

Abstract

Dicho dispositivo (1) es una plataforma hardware con una determinada programación donde se integra en un único dispositivo el control de todos los elementos de una instalación de microgeneración de energía eléctrica (2) y un control sobre operaciones de un dispositivo de interconexión (3) con red eléctrica principal (5) y comandado por un gestor global de red; de manera que las consignas de generación de energía pueden establecerse desde dos sistemas de decisión distintos y coordinados: uno interno en función de los intereses del propietario de la referida instalación (2) y otro externo en función de las necesidades del resto de la red.

Description

DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE
ENERGÍA ELÉCTRICA OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo de gestión integral de microproducción de energia eléctrica cuya finalidad consiste en facilitar en un único dispositivo un gestor integral de la microproducción de energia eléctrica de pequeñas instalaciones, permitiendo controlar de forma coordinada todos los elementos internos que compongan la instalación, los elementos de conexión a la red eléctrica principal, asi como la parte de esa instalación aguas abajo del microgenerador, al objeto de trabajar de forma coordinada con otros elementos externos de generación y consumo.
La invención es especialmente aplicable en instalaciones de microproducción de energia eléctrica componentes de una microrred eléctrica con multitud de pequeños generadores la cual para un buen funcionamiento debe establecer una coordinación entre los distintos agentes que intervienen en el sistema de distribución, tales como producción, consumo, protección y almacenamiento .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En muchas aplicaciones industriales se han invertido muchos recursos en desarrollar soluciones de software concebidas para actuar de forma aislada resolviendo problemas de gestión o control concretos de un proceso productivo. La observación del comportamiento de dichos subsistemas desde el punto de vista del funcionamiento global del proceso lleva por lo general a concluir que muchos agentes tomarían mejores decisiones si no funcionaran como islas, si interactuaran con los otros compartiendo información y estimaciones o cálculos realizados . La extensión de esta idea al control y/o gestión de procesos complejos nos lleva a trabajar con sistemas de inteligencia artificial distribuida (DAI) . Un antecedente en proyectos que desarrolla este concepto lo encontramos en el proyecto ARCHON (Jennings et al., 1996) en el cual se definirían una estructura general, un entorno de software y una metodología aplicables a distintos tipos de procesos. La aplicación se realizó en dos campos: el transporte de energía eléctrico y el control de un acelerador de partículas. El objetivo era proporcionar una herramienta de decisión que apoyara a los ingenieros de control y gestión de la red en presencia de perturbaciones. La idea era crear un entorno de software que interactuara con sistemas preexistentes utilizando plataformas de distribución de datos comunes, para poder "razonar" con información que contenga diferentes niveles de detalle y utilizar diferentes formas de obtener las soluciones, asi como para poder flexibilizar los mismos para distintos tipos de redes .
El problema es hoy aún más complejo. Hoy dia, el mapa de la generación de energía eléctrica está cambiando constantemente debido sobre todo a la utilización de fuentes de energía renovable (solar y eólica, principalmente) que supone la introducción de multitud de micro-productores en la red que interaccionan con la misma, complicando su monitorización y control. Para poder pues explotar las tremendas oportunidades de diversidad energética y manejo ambiental que ofrece la generación distribuida es necesario vencer algunos problemas tecnológicos que están frenando su expansión, entre los que se encuentran los siguientes:
Modificación del perfil de tensiones de la red eléctrica. La tensión suministrada por las compañías eléctricas debe respetar determinadas normas de calidad. La inserción de sistemas de GD/DA hace que la energía pueda fluir en ambos sentidos y que por lo tanto las caídas de tensión sean diferentes a las previstas inicialmente . Para mantener limitadas las variaciones de tensión, es necesario introducir nuevos métodos de control que tengan en cuenta el carácter bidireccional de la energía y diseñar de forma óptima la ubicación de las unidades GD/DA.
Peligro de mal funcionamiento de las protecciones. Cuando se produce un fallo en la red eléctrica, es necesario aislar la zona donde este se haya producido abriendo el número mínimo de disyuntores. La inserción de sistemas GD/DA hace necesario revisar los sistemas de protección para asegurar la viabilidad y la continuidad del suministro eléctrico .
Pérdida de calidad de onda. La conexión y desconexión de forma autónoma de las unidades de GD/DA provoca variaciones importantes en la calidad de onda en los equipos de su entorno, como por ejemplo, inyección de armónicos, creación de fluctuaciones de tensión y flicker, huecos y cortes de tensión, etc. Es necesario introducir sistemas de medida inteligentes, que tengan en cuenta el carácter y bidireccional de la energía, así como sistemas de electrónica de potencia que puedan mitigar estas perturbaciones y por lo tanto mejorar la calidad del suministro eléctrico.
Reconfiguración continua de la red. Como consecuencia de una perturbación se producirán desconexiones respecto de la red general que deberán ser reincorporadas a la misma tan pronto como sea posible mediante una configuración óptima de la red que tendrá en cuenta tanto la seguridad y calidad del suministro como la optimización en la utilización de la red y las condiciones de contratación de los usuarios.
Además, cuando se trata de redes con alta penetración de microgeneración, se asume que no hay un único propietario de los elementos de generación por lo que las decisiones sobre quien exporta energia a qué parte de la red en cada momento, hay que tomarlas de forma coordinada y consensuada en función de múltiples parámetros, y es en este punto en donde la presente invención permite interacción entre elementos diseñados que siguiendo una misma filosofia permiten simplificar la maniobrabilidad de este tipo de sistemas, ya que al integrar en un mismo dispositivo todo el control, la comunicación con el exterior se facilita y la gestión interna se optimiza según lo que en cada instante de tiempo convenga.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención consiste en un dispositivo de gestión integral de microproducción de energia eléctrica, aplicable a una instalación de microgeneración de energia eléctrica que cuenta básicamente con un microgenerador tal como paneles solares, molinos eólicos u otro conectado a un convertidor DC/DC que a su vez conecta con un inversor DC/AC; de manera que a través de un dispositivo de interconexión el inversor conecta con una red eléctrica principal; pudiendo conectar además con dicho dispositivo de interconexión una microrred formada por una pluralidad de instalaciones de microgeneración de energia análogas a la descrita.
Novedosamente, según la invención, el dispositivo de gestión de la misma es una plataforma hardware con determinada programación donde se integra en un único dispositivo el control de todos los elementos de la instalación de microgeneración de energia y un control sobre operaciones del dispositivo de interconexión, el cual está comandado por un gestor global de red; de manera que las consignas de generación de energia pueden establecerse desde dos sistemas de decisión distintos y coordinados: uno interno en función de los intereses del propietario de la instalación de microgeneración de energia y otro externo en función de las necesidades del resto de la red.
Según la realización preferente de la invención, ese control sobre operaciones del dispositivo de interconexión mediante el dispositivo de gestión cuenta con medios de bloqueo de órdenes del gestor global de red, en función de parámetros de la instalación de microgeneración tales como capacidad de generación, nivel de consumo aguas abajo del microgenerador, energia almacenada, calidad de suministro y seguridad eléctrica.
Además, según la realización preferente de la invención, la actuación coordinada de sus dos sistemas de decisión puede no limitarse a una señal de conexión/desconexión de la instalación de microgeneración de la red, incluyendo adicionalmente dicha actuación una regulación de parámetros tales como potencia de salida, corrección de factor de potencia, calidad de suministro y operación en isla en función de la estimación de generación y consumo.
En la realización preferente de la invención, el referido dispositivo de gestión presenta una estructura de bloques funcionales consistente en un módulo de medidas de sensores analógicos unido a un primer módulo procesador de señales digitales DSP y a un módulo de alarmas que además conecta con un segundo módulo procesador de señales digitales DSP unido a un módulo de entradas y salidas digitales y de señales para electrónica de potencia que también conecta con el módulo de alarma; conectando además éste segundo módulo procesador con un módulo interface con estructura jerárquica de gestión de red; estando interconectados los dos módulos procesadores DSP mediante un módulo de comunicación.
Los referidos módulos, a nivel de circuiteria, se pueden estructurar en un bloque correspondiente al primer módulo procesador DSP, un bloque correspondiente al segundo módulo procesador DSP, un bloque correspondiente al referido módulo interface que conecta con un gestor de red coordinada externo al dispositivo de gestión, un bloque de circuiteria de control, generación y almacenamiento de energia que conecta mediante señales de control y mando con la instalación de microgeneración de energia, y un bloque de circuiteria de control del inversor y de conexiones a red y a microrred que mediante señales de control y mando conecta además de con la referida instalación con el dispositivo de interconexión.
En la realización preferente de la invención el referido módulo de inteface incluye un analizador integral de estado de la red que además de controlar parámetros de calidad de onda, también se encarga de estimar tanto la producción local como la demanda aguas abajo de la microproducción y la capacidad de almacenamiento de energia de la instalación; facilitando una elección autónoma del modo de operación que permite instantáneamente reconfigurar la topología de la instalación para cambiar su funcionalidad; empleándose un algoritmo de toma de decisión basado en lógica borrosa para priorizar los modos de operación; de manera que dicho algoritmo permite establecer un ranking en función del cual se establece el modo de operación y las transiciones entre los mismos en función de información interna y del resto de la red, según los parámetros proporcionados por dicho analizador integral de estado de la red, según el sistema de alarmas interno de la microproducción y según consignas externas.
En la realización preferente de la invención, el referido bloque de circuiteria de control del inversor y de conexiones a red y a microrred, cuenta con algoritmos de control vectorial del inversor, DC/AC; de manera que con conexión a red se ejerce un control vectorial utilizando tres lazos de control y sin conexión a red se ejerce un control vectorial utilizando cuatro lazos de control.
Según la realización preferente de la invención, el dispositivo de gestión de la misma recibe dos tipos de datos correspondientes a:
Medidas de tensión e intensidad en varios puntos internos de la instalación de generación y del punto de conexión a la red, en base a los cuales se determina la estrategia de control interna; y Datos de estado de la red principal, microrred y meteorológicos de la zona, que permiten o bien modificar consignas de la referida estrategia de control o bien supeditar la misma a una propuesta desde el exterior. Con ello, se establecen automáticamente y en función de esos dos tipos de datos al menos uno de los siguientes siete tipos de operación: a) generador exportando a red toda la potencia generada con cargas aguas abajo desconectadas; b) generador trabajando en paralelo con la red principal alimentando en paralelo a los consumos aguas abajo; c) generador alimentando en isla a los consumos aguas abaj o; d) generador cargando los sistemas de almacenamiento; e) almacenamiento exportando a la red la energia acumulada; f) almacenamiento alimentando en isla a los consumos aguas abajo, y g) generador desconectado.
Según la realización preferente de la invención, el dispositivo de generación de la misma emite tres tipos de datos correspondientes a: señal de PWM para la electrónica de potencia; señales de mando para configurar tanto la estructura interna de la instalación como la conexión a la red y a los consumos susceptibles de ser alimentados en isla; y señales de estado internas para el gestor de la red.
Además, el referido dispositivo de gestión efectúa en esa realización preferente de la invención y en función de los datos recibidos operaciones de: estimación de la capacidad de producción de energia a corto plazo; estimación del consumo a corto plazo; estimación del estado de carga de los acumuladores; estimación del estado de la red externa; análisis del estado de las alarmas; toma de decisión sobre el tipo de operación óptimo de entre los siete descritos anteriormente; control del conversor DC/DC o del regulador, según modo de operación; y control del inversor DC/AC, según el modo de operación .
Con la estructura que se ha descrito, el dispositivo de la invención presenta la ventaja fundamental de que permite un control integral de la correspondiente instalación de microproducción de energia eléctrica respecto al funcionamiento propio y respecto a su integración con otras instalaciones análogas y con una red principal, permitiendo establecer una coordinación entre distintos agentes que intervienen en el sistema de distribución, tales como producción, consumo, protección y almacenamiento .
Además, el dispositivo de la invención presenta la ventaja de facilitar mejoras en el rendimiento de la instalación de microproducción de energia y reducción en los tiempos necesarios para cambiar sus modos de funcionamiento .
Otra ventaja del dispositivo de la invención consiste en que permite una relación entre la instalación de microgeneración de energia eléctrica y el resto de la red que no se reduce a una simple conexión-desconexión de la instalación, sino que posibilita la toma de decisiones localmente condicionadas por información externa, sin estar supeditada a la misma y permitiendo variar diversos parámetros en las transferencias de energia. Además, mediante las estrategias de control en conexión a red y en sistema aislado se facilita una flexibilidad que no requiere cambios importantes en el dispositivo por basarse en cambios en las señales sensadas.
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
Figura 1.- Representa un diagrama de bloques funcionales del entorno de aplicación de un dispositivo de generación integral de microproducción de energia eléctrica realizado según la presente invención.
Figura 2.- Representa un diagrama de bloques funcionales del propio dispositivo de gestión referido en la anterior figura 1.
Figura 3.- Representa esquemáticamente al dispositivo y entorno de aplicación correspondiente de las anteriores figuras, con un mayor detalle respecto a sus elementos fisicos, circuiteria y conexionado.
DESCRIPCIÓN DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA
INVENCIÓN
Seguidamente se realiza una descripción de un ejemplo de la invención haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.
Asi, el dispositivo de gestión 1 del presente ejemplo se aplica a una instalación de microgeneración de energia eléctrica 2 que cuenta básicamente con un microgenerador 6 un convertidor DC/DC 7 y un inversor DC/AC 8, tal y como puede apreciarse en la figura 1.
La instalación 2 conecta con un dispositivo de interconexión 3 basado en contactores, interruptores o una combinación de ambos. Este dispositivo de interconexión 3 conecta con una red eléctrica principal 5 y con una microrred 4 formada por una pluralidad de instalaciones de microgeneración de energia análogas a la descrita, según se aprecia también en la referida figura 1.
El microgenerador 6 consistirá normalmente en paneles solares, molinos eólicos o cualquier otro elemento de microgeneración de energia eléctrica.
Según se aprecia en la figura 1, el dispositivo de gestión 1 del presente ejemplo presenta conectividad con todos los elementos de la instalación 2, asi como con la red 5, la microrred 4 y el dispositivo de interconexión 3. Ello permite integrar en un solo dispositivo el control de todos los elementos de la instalación 2 y un control sobre operaciones del dispositivo de interconexión 3 que se comanda mediante un gestor global de red. Asi, las consignas de generación de energia se establecen interna y externamente de manera coordinada, en función de los intereses del propietario de la instalación 2 y de las necesidades de la red 5, y de manera que la actuación sobre el dispositivo de interconexión 3 no se limita a la conexión/desconexión de la instalación 2, sino que incluye la regulación de parámetros tales como potencia de salida, corrección de factor de potencia, calidad de suministro y otros .
En la figura 2 puede verse la estructura de bloques funcionales del dispositivo de gestión 1 del presente ejemplo, la cual se realiza mediante un módulo de medidas de sensores analógicos 9 que conecta con un primer módulo procesador de señales digitales DSP 10 y con un módulo de alarmas 13. Este módulo de alarmas 13 conecta a su vez con un segundo módulo procesador de señales digitales DSP 12 que se encuentra unido a un módulo de entradas y salidas digitales de señales para electrónica de potencia 11, estando conectado además este módulo 11 con el módulo de alarmas 13. Por otra parte el segundo módulo procesador 12 conecta con un módulo interface 14 con estructura jerárquica de gestión de red, mientras que los dos módulos procesadore DSP 10 y 12 se encuentran inteconectados a través de un módulo de comunicación 15.
Según puede apreciarse en la figura 3, los referidos módulos 9 a 15 del dispositivo de gestión 1 se pueden estructurar a nivel de circuiteria en un bloque correspondiente al primer módulo procesador de DSP 10, un bloque correspondiente al segundo módulo procesador DSP 12, un bloque correspondiente al referido módulo interface 14 que se conecte con un gestor de red coordinada 18 externo al dispositivo de gestión 1, un bloque de ciruiteria de control, generación y almacenamiento de energia 17 que conecta mediante señales de control y mando con la instalación de microgeneración de energia 2, y un bloque de circuiteria de control del inversor y de conexiones a red y a microrred 16 que mediante señales de control y mando conecta además de con la referida instalación 2 con el dispositivo de interconexión 3.
Además, en esta figura 3 se ve un mayor detalle de los elementos fisicos que componen la instalación 2, asi como la conectividad de los mismos con el dispositivo de gestión 1.
En el presente ejemplo, el módulo interface 14 incluye un analizador integral de estado de la red que controla parámetros de calidad de onda y se encarga de estimar la producción local y la demanda aguas abajo de la microproducción, asi como la capacidad de almacenamiento de energia .
Por otra parte, en el presente ejemplo el bloque de circuiteria de control del inversor y de conexiones a red y a microrred 16 de la figura 3 cuenta con algoritmos de control vectorial del inversor 8, de manera que con conexión a red se ejerce un control vectorial utilizando tres lazos de control y sin conexión a red se ejerce un control vectorial utilizando cuatro lazos de control.
El dispositivo de gestión 1 del presente ejemplo permite los siguientes tipos de operación:
Generador exportando a red toda la potencia generada con cargas aguas abajo desconectadas. Generador trabajando en paralelo con la red principal alimentando en paralelo a los consumos aguas abajo.
Generador alimentando en isla a los consumos de aguas abajo.
Generador cargando los sistemas de almacenamiento. Almacenamiento exportando a la red la energia acumulada .
Almacenamiento alimentando en isla a los consumos aguas abajo. Generador desconectado. Para ello, recibe dos tipos de datos:
Medidas de tensión e intensidad en varios puntos internos de la instalación de generación y del punto de conexión a la red, en base a los cuales se determina la estrategia de control interna. Datos de estado de la red coordinada y meteorológicos de la zona, que permiten, o bien modificar consignas de la anterior estrategia de control o bien supeditar la misma a la propuesta desde el exterior.
En función de los datos recibidos, la programación implementada en el dispositivo de gestión 1 realiza las siguientes operaciones:
Estimación de la capacidad de producción de energia a corto plazo. Estimación del consumo a corto plazo. Estimación del estado de carga de los acumuladores. Estimación del estado de la red externa. Análisis del estado de las alarmas.
Toma de decisiones sobre el tipo de operación óptimo entre los siete descritos anteriormente. Control del conversor DC/DC o del regulador, según modo de operación.
Control del inversor DC/AC, según el modo de operación .
Por otra parte, el dispositivo de gestión 1 del presente ejemplo emite tres tipos de datos:
Señales de PWM para la electrónica de potencia.
Señales de mando para configurar tanto la estructura interna de la instalación como la conexión a la red y a los consumos susceptibles de ser alimentados en isla.
Señales de estado internas para el gestor de la red.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, aplicable a una instalación de microgeneración de energia eléctrica
(2) que cuenta básicamente con un microgenerador (10) tal como paneles solares, molinos eólicos u otro conectado a un convertidor DC/DC (7) que a su vez conecta con un inversor DC/AC (8); de manera que a través de un dispositivo de interconexión (3) el inversor (8) conecta con una red eléctrica principal
(5) ; pudiendo conectar además con dicho dispositivo de interconexión (3) una microrred (4) formada por una pluralidad de instalaciones de microgeneración de energia análogas a la descrita; caracterizado porque el dispositivo de gestión (1) es una plataforma hardware con determinada programación donde se integra en un único dispositivo el control de todos los elementos de la instalación de microgeneración de energia (2) y un control sobre operaciones del dispositivo de interconexión (3) , el cual está comandado por un gestor global de red; de manera que las consignas de generación de energia pueden establecerse desde dos sistemas de decisión distintos y coordinados: uno interno en función de los intereses del propietario de la instalación de microgeneración de energia (2) y otro externo en función de las necesidades del resto de la red.
2.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 1, caracterizado porque ese control sobre operaciones del dispositivo de interconexión (3) mediante el dispositivo de gestión (1) cuenta con medios de bloqueo de órdenes del gestor global de red, en función de parámetros de la instalación de microgeneración (2) tales como capacidad de generación, nivel de consumo aguas abajo del microgenerador (6), energía almacenada, calidad de suministro y seguridad eléctrica.
3.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 1, caracterizado porque la actuación coordinada de esos dos sistemas de decisión puede no limitarse a una señal de conexión/desconexión de la instalación de microgeneración (2) de la red (5), incluyendo adicionalmente dicha actuación una regulación de parámetros tales como potencia de salida, corrección de factor de potencia, calidad de suministro, y operación en isla en función de la estimación de generación y consumo.
4.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo de gestión (1) presenta un estructura de bloques funcionales consistente en un módulo de medidas de sensores analógicos (9) unido a un primer módulo procesador de señales digitales DSP (10) y a un módulo de alarmas (13) que además conecta con un segundo módulo procesador de señales digitales DSP
(12) unido a un módulo de entrada y salidas digitales y de señales para electrónica de potencia (11) que también conecta con el módulo de alarmas (13); conectando además este segundo módulo procesador (12) con un módulo interface (14) con estructura jerárquica de gestión de red; estando interconectados los dos módulos procesadores DSP (10, 12) mediante un módulo de comunicación (15).
5.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos módulos
(9 a 15) del dispositivo de gestión (1) a nivel de circuitería se pueden estructurar en un bloque correspondiente al primer módulo procesador DSP (10), un bloque correspondiente al segundo módulo procesador DSP (12), un bloque correspondiente al referido módulo interface (14) que conecte con un gestor de red coordinada (18) externo al dispositivo de gestión (1), un bloque de circuiteria de control, generación y almacenamiento de energía (17) que conecta mediante señales de control y mando con la instalación de microgeneración de energía (2), y un bloque de circuiteria de control del inversor y de conexiones a red y a microrred (16) que mediante señales de control y mando conecta además de con la referida instalación (2) con el dispositivo de interconexión (3).
6.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 4 6 5, caracterizado porque dicho módulo de interface (14) incluye un analizador integral de estado de la red que además de controlar parámetros de calidad de onda, también se encarga de estimar tanto la producción local como la demanda aguas abajo de la microproducción y la capacidad de almacenamiento de energía de la instalación (2); facilitando una elección autónoma del modo de operación que permite instantáneamente reconfigurar la topología de la instalación para cambiar su funcionalidad; empleándose un algoritmo de toma de decisión basado en lógica borrosa para priorizar los modos de operación; de manera que dicho algoritmo permite establecer un ranking en función del cual se establece el modo de operación en las transiciones entre los modos de operación, en función de información interna y del resto de la red, según los parámetros proporcionados por dicho analizador integral del estado de la red, según el sistema de alarmas interno de la microproducción y según consignas externas.
7.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho bloque de circuiteria de control del inversor y de conexiones a red y a microrred (16) cuenta con algoritmos de control vectorial del inversor DC/AC (8), de manera que con conexión a red se ejerce un control vectorial utilizando tres lazos de control y sin conexión a red se ejerce un control vectorial utilizando cuatro lazos de control.
8.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo de gestión (1) recibe dos tipos de datos correspondientes a: medidas de tensión e intensidad en varios puntos internos de la instalación de generación (2) y del punto de conexión a la red, en base a los cuales se determina la estrategia de control interna; y datos de estado de la red principal (5) , microrred (4) y metereológicos de la zona, que permiten o bien modificar consignas de la referida estrategia de control o bien supeditar la misma a una propuesta desde el exterior; estableciéndose automáticamente en función de estos datos al manos uno de los siguientes siete tipos de operación : a) generador exportando a red toda la potencia generada con cargas aguas abajo desconectadas; b) generador trabajando en paralelo con la red principal alimentando en paralelo a los consumos aguas abajo; c) generador alimentando en isla a los consumos aguas abaj o ; d) generador cargando los sistemas de almacenamiento ; e) almacenamiento exportando a la red la energia acumulada; f) almacenamiento alimentando en isla a los consumos aguas abajo, y g) generador desconectado.
9.- DISPOSITIVO DE GESTIÓN INTEGRAL DE MICROPRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA, según la reivindicación 8, caracterizado porque el dispositivo de gestión (1) emite tres tipos de datos correspondientes a: señales de PWM para la electrónica de potencia, señales de mando para configurar tanto la estructura interna de la instalación como la conexión a la red y a los consumos susceptibles de ser alimentados en isla, y señales de estado internas para el gestor de la red; realizando además el aludido dispositivo de gestión (1), en función de los datos recibidos, operaciones de: estimación de la capacidad de producción de energia a corto plazo, estimación del consumo a corto plazo, estimación del estado de carga de acumuladores, estimación del estado de la red externa, análisis del estado de las alarmas, toma de decisión sobre el tipo de operación óptimo de entre los siete (a-g) descritos, control del conversor DC/DC (7) ó del regulador, según modo de operación, control del inversor DC/AC (8), según el modo de operación .
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