BRPI0604436B1

BRPI0604436B1 - Sistema de fornecimento de energia

Info

Publication number: BRPI0604436B1
Application number: BRPI0604436-0A
Authority: BR
Inventors: Michael Ritter Allen; David Harbourt Cyrus; Gregory Wagoner Robert
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2006-10-09
Publication date: 2018-06-05
Also published as: BRPI0604436A; AU2006225334A1; CN101013819A; US20070080666A1; CA2562609A1; CN101013819B; CA2562609C; US7923965B2; US20110204637A1; EP1772939B1; AU2006225334B2; EP1772939A3; EP1772939A2

Abstract

métodos e dispositivos para o acoplamento de um sistema de armazenamento de energia a um sistema de fornecimento de energia variável. um método para acoplar um sistema de armazenagem de energia a um sistema para o fornecimento de energia variável inclui fornecer um sistema de armazenagem de energia incluindo ao menos uma bateria de tipo a redox de vanádio e ao menos um controlador (104) da carga da bateria. o método também inclui acoplar eletricamente o ao menos um controlador da carga da bateria ao sistema de forcecimento de energia variável de tal forma que a ao menos uma bateria é configurada de modo a fornecer uma potência útil substancialmente consistente durante a flutuação das cargas da energia do sistema de fornecimento de energia.

Description

(54) Título: SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA (51) Int.CI.: H02J 7/00; H02J 15/00; H01M 10/00 (30) Prioridade Unionista: 10/10/2005 US 11/247,836 (73) Titular(es): GENERAL ELECTRIC COMPANY (72) Inventor(es): ALLEN MICHAEL RITTER; CYRUS DAVID HARBOURT; ROBERT GREGORY WAGONER

1/8 “SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA” FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [001] Esta invenção se refere, em geral, aos sistemas de armazenamento de energia, e mais em particular, aos métodos e aos dispositivos para o acoplamento de um sistema de armazenamento de energia a um sistema de fornecimento de energia variável.

[002] Ao menos alguns sistemas conhecidos para a produção de energia a partir do vento geram uma potência útil flutuante ou intermitente devida a variação na velocidade do vento. Quando vários geradores são ligados este eles, isto é, em disposições conhecidas como as fazendas de vento, a flutuação na potência útil pode ser reduzida. Sob condições ideais, as variações na potência de saída irão ser reduzidas de um fator de 1/n, na qual n representa o número de geradores eólicos acoplados. Em áreas nas quais a penetração do vento pode ser alta, o acoplamento de um grande número de geradores, em geral, reduz a flutuação geral da potência em um sistema de base eólica, mas ainda pode dar origem a problemas relativos a estabilidade da potência. Em geral, a natureza volátil da potência útil da geração eólica limita a quantidade de energia de origem eólica que pode ser ligada à rede sem causar problemas relativos à estabilidade na tensão. Desta forma, a geração de energia por meio eólico é, em geral, considerada como uma fonte não firme para os propósitos de planejamento do sistema.

[003] É bem conhecido o fato de que a demanda de energia elétrica flutua. Normalmente, as flutuações de energia ocorrem dentro de uma base relativamente regular. Por exemplo, em uma rede típica de energia elétrica residencial, a demanda geral por energia elétrica é baixa durante a noite, apresenta picos durante a manhã, é reduzida durante o dia e novamente apresenta picos ao final da tarde. Contudo, existem circunstâncias nas quais a demanda por energia elétrica aumente de forma repentina e irregular. Do ponto

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2/8 de vista de uma empresa publica de produção de energia elétrica, o aumento associado na demanda de energia elétrica, ocasionado durante tais eventos, pode ser de difícil acomodação uma vez que a demanda por energia elétrica tem em geral uma curta duração.

[004] Por exemplo, ao menos alguns sistemas conhecidos de armazenamento de energia elétrica incluem bancos de baterias elétricas. As instalações de baterias conhecidas são utilizadas para fornecer energia elétrica em situações de emergência ou de falta de energia, mas em geral não podem ser utilizados para fornecer uma energia suplementar durante os picos de demanda. Por exemplo, as baterias de chumbo/ácido conhecidas são utilizadas como fontes de energia de reserva, as quais podem fornecer a iluminação de emergência e/ou como fontes de energia de reserva para os serviços telefônicos. Contudo, tais baterias ou não apresentam uma capacidade adequada de armazenamento de energia elétrica para suprir as demandas dos sistemas de armazenamento de energia, ou são caras. Para permitir a acomodação dos aumentos de demanda de energia elétrica de curta duração, ao menos alguns sistemas conhecidos de transmissão de energia elétrica são ligados a um sistema de armazenamento de energia elétrica de tal forma que o sistema de armazenamento de energia pode ser utilizado, ou ligado, de modo a fornecer energia elétrica adicional durante um pico de demanda.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [005] Em um aspecto, é fornecido um método para o acoplamento de um sistema de energia elétrica a um sistema de fornecimento de energia variável. O método inclui fornecer um sistema de armazenamento de energia incluindo ao menos uma bateria de tipo vanádio redox e ao menos um controlador da carga da bateria. O método também inclui acoplado eletricamente o ao menos um controlador de carga da bateria a um sistema de fornecimento de energia variável, de tal forma que a ao menos uma bateria é configurada de

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3/8 modo a fornecer uma potência útil substancialmente consistente durante a flutuação das cargas de energia do sistema de fornecimento de energia.

[006] Em outro aspecto, é fornecido um sistema para o fornecimento de energia a uma rede. O sistema compreende um sistema de fornecimento de energia variável e uma pluralidade de unidades de interfaces da rede eletricamente ligadas ao sistema de fornecimento de energia variável, através de um barramento elétrico. O sistema também inclui um sistema de armazenamento de energia a base de bateria de tipo por redox do vanádio configurado para armazenar energia de um sistema de fornecimento de energia variável e a fornecer energia para a rede.

[007] Em um outro aspecto, é fornecido um sistema de armazenamento de energia elétrica. O sistema inclui um sistema de armazenamento de energia elétrica a base de bateria de tipo vanádio redox e um controlador da carga da bateria, em comunicação elétrica com a bateria, e um sistema de fornecimento de energia variável. O controlador é configurado de modo a direcionar energia elétrica do sistema de fornecimento de energia variável para ao menos um entre a bateria e/ou a rede elétrica pública.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [008] A figura 1 é uma vista esquemática de um exemplo de um sistema de energia a turbina eólica.

[009] A figura 2 é uma vista esquemática de um exemplo de um sistema de energia a turbina eólica incluindo um sistema de armazenamento de energia.

[010] A figura 3 é uma vista esquemática de uma forma de realização de exemplo de um sistema de energia com várias turbinas eólicas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [011] A presente invenção é dirigida a um sistema de armazenamento de energia regenerativa do tipo baseado na redução/oxidação

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4/8 (redox) do vanádio, o qual converte a energia química em energia elétrica para uso em sistemas de geração de energia por turbinas eólicas. Apesar da invenção ser descrita e ilustrada no contexto de um sistema de geração de energia elétrica por turbina eólica, a invenção não está limitada aos sistemas de energia por turbina eólica. As formas de realização aqui apresentadas são, portanto somente exemplificativas e representam várias formas de realização da invenção, mas não são conclusivas de todas as formas de realização. Como explicado abaixo, estas formas de realização contribuem no sentido de permitir que os sistemas de geração de energia possam armazenar energia, assim como no sentido de fornecer uma energia suplementar a uma rede de energia elétrica durante os picos de demanda, ou a armazenar energia durante os períodos fora dos picos.

[012] A figura 1 é uma vista esquemática de um sistema 10 de geração de energia por meio de turbina eólica incluindo um gerador 12 a turbina eólica acoplado em comunicação elétrica com uma rede pública 14 de energia. Na forma de realização de exemplo, o gerador 12 a turbina eólica fornece energia para a rede 14 através de um barramento 16 incluindo uma unidade de interface 18 da rede e uma unidade de interface 20 da rede. O gerador 12 a turbina eólica também fornece energia para uma carga crítica 22 ligada em série ao barramento 16, através da unidade de interface 24 da rede. Na forma de realização de exemplo, o gerador 12 a turbina eólica é um gerador a turbina eólica de 2,7 MW, o barramento 16 é um barramento DC comum de 1100 V DC, o dispositivo 18 de interface da rede é um inversor AC/DC de 2,7 MW, e a interface da rede 20 é um inversor bidirecional AC/DC DC/AC de 3 MVA, e o dispositivo de interface 24 da rede é um inversor DC/AC de 100 KW. Apesar do sistema 10 ser eficiente com os ventos de altas velocidades, este é menos eficiente durante as flutuações e as intermitências na velocidade do vento e assim a potência útil para o sistema da rede 14 varia devida a variação na velocidade do vento.

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5/8 [013] A figura 2 é uma vista esquemática de uma forma de realização de exemplo de um sistema de geração de energia 100 a turbina eólica incluindo um sistema de armazenamento de energia 102. O sistema de geração de energia 100 a turbina eólica é substancialmente similar ao sistema de geração de energia 10 a turbina eólica (mostrado na figura 1) e os componentes do sistema de geração de energia 100 a turbina eólica que são idênticos aos componentes do sistema de geração de energia 10 a turbina eólica são identificados na figura 2 empregando os mesmos numerais de referência que os da figura 1.

[014] O sistema de armazenamento de energia 102 é ligado em comunicação elétrica ao barramento 16 entre o gerador 12 a turbina eólica e a interface da rede 14 do sistema através de um controlador da carga da bateria 104. Na forma de realização de exemplo, o sistema de armazenamento de energia 102 é um sistema de armazenamento de energia elétrica por bateria de redox do vanádio (VRB-ESS) 102 e o controlador 104 é um conversor amplificador/neutralizador bidirecional DC/DC de 3 MW.

[015] Na forma de realização de exemplo, o VRB-ESS 102 serve como um armazenador entre as fontes de alimentação variáveis, tal como os geradores 12 a turbina eólica, e os requisitos rígidos e competitivos de um contratante da energia, tal como a rede 14. Em formas alternativas de realização, o VRB-ESS 102 adiciona um valor capacitivo a fontes não firmes, tais como as eólicas e fotos-voltaicas (PV). Os tempos de resposta diretos torna possível a carga e a descarga dentro do mesmo tempo. O VRB-ESS 102 também realiza a estabilização da potência útil da turbina eólica e é uma fonte de energia reativa.

[016] O VRB-ESS 102 permite armazenar energia dentro das faixas na ordem de megawatts e por períodos de tempo de horas ou dias - para qualquer que seja a fonte de entrada disponível. A energia armazenada pode então ser devolvida para a unidade de interface 20 da rede ou fornecida a uma

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6/8 carga crítica 22, conforme necessário e dirigido. O VRB-ESS 102 é configurado de modo a fornecer energia estável nos momentos em que o vento está variando, e para continuar a fornecer energia, por um período de tempo, enquanto o vento não comparece.

[017] O VRB-ESS 102 é unicamente capaz de ser carregado tão rapidamente quanto este é descarregado e está apto a responder a todas as formas de variação na qualidade da energia e assim pode ser, da mesma forma, operado no modo UPS. Para as cargas que necessitam de energia reativa, o VRB-ESS 102 é totalmente capaz de fornecer volt-amperes reativos (VARS) na placa identificadora dentro de uma base contínua tanto na carga quanto na descarga. E desta forma, o VRB-ESS 102 é configurado de modo a armazenar energia bruta armazenada em um link DC de um conversor em um sistema que utiliza vários conversores de tipo a transistores bipolares de gate isolado (IGBT), de modo a converter a tensão da bateria em AC.

[018] Na forma de realização de exemplo, o controlador 104 é configurado de modo a permitir o direcionamento de qualquer energia extra do gerador 12 de turbina eólica para carregar o VRB-ESS 102, para suportar a carga crítica 22, e/ou para fornecer energia para a rede 14. O controlador 14 também é configurado de modo a permitir que seja evitada uma sobre carga do VRB-ESS 102.

[019] A figura 3 é uma vista esquemática de uma forma de realização de exemplo de um sistema de geração de energia por turbinas eólicas 200, incluindo ma pluralidade de geradores 202 a turbina eólica ligados em uma configuração em paralelo. O sistema de geração de energia por turbinas eólicas 200 é substancialmente similar ao sistema de geração de energia por turbinas eólicas 100 (mostrado na figura 2), e os componentes do sistema de geração de energia por turbinas eólicas 200 que são idênticos aos componentes do sistema de geração de energia por turbinas eólicas 100 são identificados na figura 3

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7/8 empregando os mesmos números de referência usados na figura 2.

[020] Na forma de realização de exemplo, os geradores 202 a turbina eólica fornecem energia para a rede 14 através do barramento 16, incluindo a unidade de interface 18 da rede e a unidade de interface 204 da rede. Os geradores 202 a turbina eólica também podem fornecer energia para uma carga crítica 22 através da unidade de interface 206 da rede. Na forma de realização de exemplo, cada gerador 12 a turbina eólica é um gerador a turbina eólica de 2,7 MW, o barramento 16 é um barramento DC comum de 1100 V DC, o dispositivo 18 de interface da rede é um inversor AC/DC de 2,7 MW, e a interface da rede 206 é um inversor DC/AC de 300 KW. O sistema 200 também inclui um VRB-ESS 102 acoplado em comunicação elétrica a um barramento 16 através de um controlador 108 da carga da bateria. Na forma de realização de exemplo, o controlador 208 é um conversor amplificador/neutralizador bidirecional DC/DC de 9 MW.

[021] Conforme utilizado na presente invenção, o VRB-ESS 102 permite que sejam realizadas diversas funções. Durante as falhas no fornecimento de energia, este fornece energia para os sistemas de controle do passo de modo a ajustar o passo das pás conforme necessário. Ainda mais, a maioria dos sistemas de fornecimento de energia são configurados com um sistema de energia não passível de ser interrompido (UPS), e assim o VRB-ESS 102 é configurado de modo a fornecer energia para o UPS como energia de reserva para as cargas auxiliares.

[022] Outra vantagem destas configurações é a energia de freio dinâmico que é manuseada pelo sistema de armazenamento a bateria. Na forma de realização de exemplo, o VRB-ESS 102 e o controlador 104 são configurados de modo a absorver toda a potência útil do gerador 12 a turbina eólica para a frenagem dinâmica. O VRB-ESS 102 permite a eliminação destes resistores muito grandes e é mais eficiente que estes resistores.

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8/8 [023] A invenção supra descrita fornece um método dentro de um custo aceitável e confiável para acoplar um sistema de armazenagem de energia a um sistema de fornecimento de energia variável, de modo a estar apto a permitir o fornecimento de uma potência útil constante durante as demandas flutuantes de energia, a armazenagem de energia nos momentos de ventos fortes, e continuar a fornecer energia quando a velocidade do vento está baixa. O posicionamento de um VRB-ESS em um sistema de fornecimento de energia a turbina eólica permite direcionar a energia extra do gerador a turbina eólica para armazenar energia no VRB-ESS, para fornecer energia de reserva para as cargas críticas e/ou para fornecer energia para a rede publica. Ainda mais, o VRB-ESS permite a absorção da potência útil para os freios dinâmicos.

[024] As formas de realização de exemplo do VRB-ESS são acima descritas em detalhes. O VRB-ESS não está limitado às formas específicas de realização aqui descritas, mas ao invés disto, os componentes de cada sistema podem ser utilizados de forma independente e separadamente de outros componentes aqui descritos. Por exemplo, o VRB-ESS também pode ser utilizado em combinação com outros sistemas de fornecimento de energia variável, e não está limitado à realização na prática somente com os geradores a turbinas eólicas como aqui descrito. Ao invés disto, a presente invenção pode ser implementada e utilizada em conexão com quaisquer outros geradores e sistemas de fornecimento de energia variável.

[025] Apesar da invenção ter sido descrita em termos de várias formas específicas de realização, os peritos na arte irão perceber que a invenção pode ser realizada na prática com modificações e dentro do espírito e escopo das reivindicações.

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Claims

Reivindicações

1. SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA (10) para fornecer energia a uma rede (14) compreendendo:

- um barramento de corrente contínua (16);

- um sistema de armazenagem de energia (102) que compreende uma bateria de tipo redox de vanádio e um controlador de carga da bateria (104), sendo que o controlador da carga da bateria (104) tem um lado de barramento de corrente contínua eletricamente acoplado ao barramento de corrente contínua (16) e um lado de bateria eletricamente acoplado à bateria de tipo redox de vanádio, o controlador de carga da bateria compreendendo um conversor amplificador/neutralizador bidirecional DC/DC; e

- um gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) eletricamente acoplado ao barramento de corrente contínua (16), o sistema de fornecimento de energia (10) sendo caracterizado pelo fato de que a bateria de tipo redox de vanádio é configurada para suprir uma saída de energia consistente para pelo menos um dentre uma rede pública (14) e uma carga crítica (22) quando uma entrada para o gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) impede o gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) de gerar a saída de energia consistente e o controlador de carga da bateria (104) é configurado de tal forma que uma saída do gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) que está acima da saída de energia consistente é armazenada na bateria de tipo redox de vanádio, sendo que o controlador de carga da bateria (104) e a bateria de tipo redox de vanádio são configurados para absorver toda a potência de saída do gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) conforme necessário para frenagem dinâmica dentro do gerador de turbina eólica de corrente alternada, e o controlador de carga da bateria (104) é eletricamente acoplado ao gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) de tal forma que potência elétrica é

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2/2 fornecida a um sistema de controle do passo da turbina eólica no caso de uma falha de energia.

2. SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma carga crítica (22) eletricamente acoplada ao barramento de corrente contínua (16) de forma que a energia da bateria de tipo redox de vanádio é fornecdia à carga crítica quando a velocidade da turbina está abaixo de um nível que permite ao gerador de turbina eólica de corrente alternada (12) a gerar a saída de energia consistente.
3. SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o controlador de carga de bateria (104) é configurado para direcionar a potencia elétrica para uma carga auxiliar.

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