BR102016009787A2

BR102016009787A2 - Method of control of the flow of power of a hybrid system of storage of electrical energy, associated device and uses

Info

Publication number: BR102016009787A2
Application number: BR102016009787-8A
Authority: BR
Inventors: De Jesus Cardoso Filho Braz; César Guerra Justino Júlio
Original assignee: Universidade Federal De Minas Gerais
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-04-29
Publication date: 2017-11-07
Also published as: BR102016009787B1

Abstract

o presente pedido de patente descreve um método capaz de controlar o fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes, ou seja, dois elementos de armazenamento de energia: um que se carrega e descarrega rapidamente e outro que se carrega e descarrega a uma taxa inferior em relação ao primeiro. descreve também um dispositivo de que utiliza o método proposto, de forma não limitante, em um sistema de tração elétrica. a tecnologia proposta propicia a redução da capacidade de potência do dispositivo de menor taxa de carga e descarga e uma redução na capacidade de armazenamento de energia do dispositivo de maior taxa de carga e descarga, possibilitando uma redução de custo e também dimensionamento correto dos dispositivos que não são subutilizados. o uso do dispositivo de menor taxa de carga e descarga ocorre de forma complementar em situações de maior demanda de energia. a tecnologia apresentada pode ser utilizada em dispositivos facts (fexible ac transmission systems), como em restauradores dinâmicos de tensão (dvr- dynamic voltage restorer), em ups (uninterruptible power systems), como suplemento a geração sazonal, como em painéis solares, geração eólica, e outras, em smart grids, junto a estações de recargas elétricas veiculares e outras.

Description

“MÉTODO DE CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA DE UM SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA, DISPOSITIVO ASSOCIADO E USOS” [001] O presente pedido de patente descreve um método capaz de controlar o fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes, ou seja, dois elementos de armazenamento de energia: um que se carrega e descarrega rapidamente e outro que se carrega e descarrega a uma taxa inferior em relação ao primeiro. Descreve também um dispositivo de tração elétrica que utiliza o método proposto. A tecnologia proposta propicia a redução da capacidade de potência do dispositivo de menor taxa de carga e descarga e uma redução na capacidade de armazenamento de energia do dispositivo de maior taxa de carga e descarga, possibilitando uma redução de custo e também dimensionamento correto dos elementos que não são subutilizados. O uso do dispositivo de menor taxa de carga e descarga ocorre de forma complementar em situações de maior demanda de energia. A tecnologia apresentada pode ser utilizada em dispositivos FACTs (Fexible AC Transmission Systems), como em restauradores dinâmicos de tensão (DVR- Dynamic Voltage Restorer), em UPS (Uninterruptible Power Systems), como suplemento a geração sazonal, como em painéis solares, geração eólica, e outras, em smart grids, junto a estações de recargas elétricas veiculares e outras.

[002] Há, no estado da técnica, alguns dispositivos e métodos descritos para controle e uso de sistemas híbridos de armazenamento de energia elétrica, podendo-se destacar os documentos apresentados abaixo.

[003] O documento US2006/0250113 apresenta um sistema onde ultracapacitor e baterias estão conectados em paralelo, o que limita o uso de energia utilizada pelo ultracapacitor, tendo em vista que esta ligação em paralelo restringe a tensão do mesmo à tensão da batería. Contudo, esse pedido de patente não apresenta nenhum método de controle para gerenciar o fluxo de energia em seus dispositivos. Além disso, nesse documento a batería não é dimensionada para suprir a potência total de tração, ela é uma fonte secundária, que é acionada em apenas alguns momentos da demanda total, diferentemente da presente invenção.

[004] O documento US2007/0164693 propõe um método de controle para o fluxo de potência nas fontes de armazenamento híbrido, porém a vida útil das baterias é prejudicada, tendo em vista que um aumento repentino na potência demandada pelo sistema leva também a uma mudança rápida na potência que é fornecida pela batería, o que não ocorre na tecnologia proposta.

[005] O documento US7258183 trata do gerenciamento do sistema de tração de um veículo híbrido, utilizando a combinação ultracapacitor + baterias. Além disso, propõe uma estratégia de controle de fluxo de energia. Contudo, difere-se da presente invenção, pois nesse documento, o ultracapacitor está subdimensionado.

[006] O documento US7085123, apesar de referir-se a um sistema de armazenamento híbrido utilizando ultracapacitores e batería, é proposto que os mesmos sejam interligados entre si através de uma ligação série. Dessa forma, difere-se da presente invenção, em que a ligação é feita através de conversores bidirecionais.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[007] FIGURA 1 - Arranjo para a eletrônica de potência do dispositivo de tração que utiliza o método de controle do fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes. O arranjo compreende pelo menos uma conexão para carregadores ultrarrápidos (1), um banco de dispositivos de maior taxa de carga e descarga (2), um conversor cc-cc bidirecional (3), um barramento (4), um conversor de tração (5) e um motor de tração (6), pelo menos uma conexão para o carregador de recarga lenta (7), um banco de dispositivos de menor taxa de carga e descarga (8), e um conversor cc-cc (9) bidirecional para controlar o fluxo de potência nas baterias e adequar a tensão na saída.

[008] FIGURA 2 - Arranjo para a eletrônica de potência do dispositivo de tração que utiliza o método de controle do fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes. Tal arranjo compreende pelo menos uma conexão para carregadores ultrarrápidos (1), um banco de dispositivos de maior taxa de carga e descarga (2), um conversor cc-cc bidirecional (3), um barramento (4), um conversor de tração (5) e um motor de tração (6), pelo menos uma conexão para o carregador de recarga lenta (7), um banco de dispositivos de menor taxa de carga e descarga (8), e uma conexão indutiva (10), que substitui o conversor cc-cc bidirecional.

[009] FIGURA 3 - A Figura 3 mostra resultados de simulação de uma configuração possível, não limitante, da invenção em que se utiliza o método para controlar o fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes juntamente com o dispositivo de tração elétrica que utiliza tal método. Os resultados de simulação demonstram a operação de um ônibus com recargas rápidas regulares em uma linha real de BRT durante uma viagem completa, o dispositivo de maior taxa de carga e descarga utilizado foi um supercapacitor e o dispositivo de menor taxa de carga e descarga utilizado foi uma batería. No eixo das abscissas está representada a posição do ônibus em (Km). Em (a) tem-se a operação do ônibus com 100% de supercapacitores, o eixo das Ordenadas representa SOC_ucap (Estado de carga dos supercapacitores) que é mostrado em linha continua e a energia associada às recargas regulares é mostrada em formato de barras verticais no gráfico a). Em (b) tem-se a operação do ônibus com supercapacitores + baterias dimensionadas para 40% da potência de tração. No eixo das ordenadas está representada SOC_ucap (linha vermelha) e o estado de carga das baterias é mostrado em linha azul. As barras vermelhas mostram as recargas regulares. A linha verde representa o estado de carga das baterias, em %.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA TECNOLOGIA

[0010] O presente pedido de patente descreve um método capaz de controlar o fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes, ou seja, dois elementos de armazenamento de energia: um que se carrega e descarrega rapidamente e outro que se carrega e descarrega a uma taxa inferior em relação ao primeiro. Descreve também um dispositivo que utiliza tal método e que foi aplicado de forma não limitante a um sistema de tração elétrica.

[0011] Na tecnologia proposta há uma fonte secundária (dispositivos de menor taxa de carga e descarga) que deve operar complementarmente com a fonte principal (dispositivo de maior taxa de carga e descarga) em situações de maior demanda energética. Os dispositivos de menor taxa de carga e descarga não operam com cargas rápidas. Estes são completamente carregados, a uma baixa taxa, em recargas longas, e são constantemente recarregados ao longo da operação pelos dispositivos de maior taxa de carga e descarga, podendo também ser recarregados por uma fonte externa no momento de recarga regular concomitantemente com o dispositivo de maior taxa de recarga/descarga. Assim, o estado de carga do dispositivo de menor taxa de carga e descarga (energia armazenada) é mantido, a fim de que possa fornecer uma energia extra nos trechos de maior demanda, previamente identificados na rota conhecida. O dispositivo de menor taxa de carga e descarga opera complementarmente com o dispositivo de maior taxa de carga e descarga, fornecendo apenas uma parcela da energia.

[0012] O método de controle do fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes compreende as seguintes etapas: a) estimar a energia que o sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica deverá suprir até a próxima recarga a partir de dados de consumo anteriores ocorridos em períodos compreendidos entre recargas consecutivas; b) calcular o estado de carga (energia armazenada) do dispositivo de maior taxa de carga e descarga na próxima recarga por meio da subtração do estado de carga atual do dispositivo de maior taxa de carga e descarga pelo consumo estimado calculado na etapa "a"; c) carregar o dispositivo de menor taxa de carga e descarga se o cálculo efetuado na etapa "b" indicar que há energia suficiente no dispositivo de armazenamento de carga e descarga rápida para suprir a demanda até que ocorra a próxima recarga, senão acionar dispositivo de menor taxa de carga e descarga para suprir a demanda de energia de forma complementar.

[0013] O dispositivo de controle baseado no método apresentado aplicado a um sistema de tração elétrica compreende as seguintes partes constituintes: pelo menos pelo menos uma conexão para carregadores ultrarrápidos (1), um banco de dispositivos de maior taxa de carga e descarga (2), um conversor cc-cc bidirecional (3), pelo menos um barramento (4), um conversor de tração (5), pelo menos um motor de tração (6), pelo menos uma conexão para o carregador de recarga lenta (7), um banco de dispositivos de menor taxa de carga e descarga (8) e um conversor cc-cc (9) bidirecional para controlar o fluxo de potência nas baterias e adequar a tensão de saída.

[0014] De forma alternativa, o conversor cc-cc (9) bidirecional usado para interligar as baterias ao barramento de tração (4) pode ser substituído por uma conexão indutiva (10).

[0015] O método proposto pode ser utilizado em dispositivos FACTs (Fexible AC Transmission Systems), como em restauradores dinâmicos de tensão (DVR- Dynamic Voltage Restorer), em UPS (Uninterruptible Power Systems), como suplemento a geração sazonal, como em painéis solares, geração eólica, em smart grids e/ou junto a estações de recargas elétricas veiculares.

[0016] A invenção pode ser mais bem compreendida através do exemplo abaixo, não limitante da tecnologia.

[0017] Exemplo 1 - Resultados de Simulação [0018] A Figura 3 mostra resultados de simulação de uma possível configuração da invenção, não limitante, em que se utiliza o método proposto para controlar o fluxo de potência de um sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica baseado em dois dispositivos com taxas de carga e descarga diferentes juntamente com o dispositivo de tração elétrica que utiliza tal método. Os resultados de simulação demonstram a operação de um ônibus com recargas rápidas regulares em uma linha real de BRT durante uma viagem completa. O dispositivo de maior taxa de carga e descarga utilizado foi um supercapacitor e o dispositivo de menor taxa de carga e descarga utilizado foi uma batería. No eixo das abscissas está representada a posição do ônibus em (Km). Em (a) tem-se a operação do ônibus com 100% de supercapacitores, o eixo das ordenadas representa SOC_ucap (Estado de carga dos supercapacitores), que é mostrado em linha continua, e as recargas regulares, representadas por barras. Em (b) tem-se a operação do ônibus com supercapacitores + baterias dimensionadas para 40% da potência de tração. No eixo das ordenadas está representada SOC_ucap (linha vermelha) e o estado de carga das baterias é mostrado em linha azul. As barras vermelhas mostram as recargas regulares. Em linha verde está representado o estado de cargas das baterias em %.

[0019] É possível observar que a energia complementar fornecida pela batería, representada pela linha azul no gráfico (b) da figura 3, representa uma parcela da demanda total de energia que o capacitor supriría em sistemas convencionais de armazenamento híbrido, ou seja, a capacidade total do banco de supercapacitores seria utilizada em pouquíssimos momentos, caracterizando seu subdimensionamento. Na tecnologia proposta o dimensionamento é adequado e o uso dos armazenadores é mais eficiente, o que também é comprovado pelo fato das baterias serem carregadas e descarregadas predominantemente a uma taxa reduzida, conferindo maior vida útil ao sistema.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. MÉTODO DE CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA DE UM SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA BASEADO EM DOIS DISPOSITIVOS COM TAXAS DE CARGA E DESCARGA DIFERENTES caracterizado por compreender as seguintes etapas: a) estimar a energia que o sistema híbrido de armazenamento de energia elétrica deverá suprir até a próxima recarga a partir de dados de consumo anteriores ocorridos em períodos compreendidos entre recargas consecutivas; b) calcular o estado de carga (energia armazenada) do dispositivo de maior taxa de carga e descarga na próxima recarga por meio da subtração do estado de carga atual do dispositivo de maior taxa de carga e descarga pelo consumo estimado calculado na etapa "a"; c) carregar o dispositivo de menor taxa de carga e descarga se o cálculo efetuado na etapa "b" indicar que há energia suficiente no dispositivo de armazenamento de carga e descarga rápida para suprir a demanda até que ocorra a próxima recarga, senão acionar dispositivo de menor taxa de carga e descarga para suprir a demanda de energia de forma complementar.

2. DISPOSITIVO DE CONTROLE ASSOCIADO AO MÉTODO DE CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA DE UM SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA BASEADO EM DOIS DISPOSITIVOS COM TAXAS DE CARGA E DESCARGA DIFERENTES caracterizado por compreender pelo menos uma conexão para carregadores ultrarrápidos (1), um banco de dispositivos de maior taxa de carga e descarga (2), um conversor cc-cc bidirecional (3), pelo menos um barramento (4), um conversor de tração (5), pelo menos uma conexão para o carregador de recarga lenta (7), um banco de dispositivos de menor taxa de carga e descarga (8) e um conversor cc-cc (9) bidirecional para controlar o fluxo de potência nas baterias e adequar a tensão de saída.

3. DISPOSITIVO DE CONTROLE ASSOCIADO AO MÉTODO DE CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA DE UM SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA BASEADO EM DOIS DISPOSITIVOS COM TAXAS DE CARGA E DESCARGA DIFERENTES, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelos dispositivos de maior taxa de carga e descarga (2) serem supercapacitores, ultracapacitores ou uma combinação de supercapacitores e ultracapacitores e os dispositivos de menor taxa de carga e descarga (8) serem baterias.

4. DISPOSITIVO DE CONTROLE ASSOCIADO AO MÉTODO DE CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA DE UM SISTEMA HÍBRIDO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA BASEADO EM DOIS DISPOSITIVOS COM TAXAS DE CARGA E DESCARGA DIFERENTES, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender, de forma alternativa, uma conexão indutiva (10) em substituição ao conversor cc-cc (9) bidirecional usado para interligar as baterias ao barramento de tração (4).

5. USO DO MÉTODO DE CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA definido na reivindicação 1, caracterizado por ser em dispositivos FACTs (Fexible AC Transmission Systems), como em restauradores dinâmicos de tensão (DVR- Dynamic Voltage Restorer), em UPS (Uninterruptible Power Systems), como suplemento a geração sazonal, como em painéis solares, geração eólica, em smart grids e/ou junto a estações de recargas elétricas veiculares.

6. USO DO DISPOSITIVO CONTROLE DO FLUXO DE POTÊNCIA definido na reivindicação 2, caracterizado por ser em dispositivos FACTs (Fexible AC Transmission Systems), como em restauradores dinâmicos de tensão (DVR- Dynamic Voltage Restorer), em UPS (Uninterruptible Power Systems), como suplemento a geração sazonal, como em painéis solares, geração eólica, em smart grids e/ou junto a estações de