ES2581429T3 - Control de sostenimiento de carga sensible a la frecuencia de sistemas de almacenamiento de electricidad para servicios auxiliares en una red de alimentación eléctrica - Google Patents

Control de sostenimiento de carga sensible a la frecuencia de sistemas de almacenamiento de electricidad para servicios auxiliares en una red de alimentación eléctrica Download PDF

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Abstract

Un método de respuesta a cambios en la frecuencia de funcionamiento de una red eléctrica (205) por medio de dispositivos de almacenamiento de energía (210) que están energéticamente acoplados a la red eléctrica, comprendiendo el método: determinar si un parámetro de la frecuencia de funcionamiento de la red eléctrica se encuentra dentro de un intervalo predeterminado; si se determina que el parámetro de frecuencia de funcionamiento se encuentra fuera de dicho intervalo predeterminado, ajustar la frecuencia transfiriendo energía entre los dispositivos de almacenamiento de energía y la red eléctrica; si el parámetro de frecuencia de funcionamiento se encuentra dentro de dicho intervalo predeterminado, determinar si un estado de carga (SOC) de los dispositivos de almacenamiento de energía se encuentra dentro de límites predeterminados; y transferir energía entre el dispositivo de almacenamiento de energía y la red eléctrica para llevar el SOC dentro de dichos límites predeterminados cuando el parámetro de frecuencia de funcionamiento se encuentra dentro de dicho intervalo predeterminado y el SOC del dispositivo de almacenamiento de energía se encuentra fuera de dichos límites predeterminados, en el que la transferencia comprende descargar o cargar el dispositivo de almacenamiento de energía, caracterizado por que dicho parámetro de frecuencia de funcionamiento es la tasa de cambio de la frecuencia de funcionamiento y por que se transfiere energía entre la red y el dispositivo de almacenamiento de energía para regular la frecuencia a una tasa que es una función no lineal de la frecuencia de funcionamiento de la red, en el que la función es un polinomio de un orden más alto que uno.

Description

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DESCRIPCION
Control de sostenimiento de carga sensible a la frecuencia de sistemas de almacenamiento de electricidad para servicios auxiliares en una red de alimentacion electrica
Antecedentes de la invencion
La presente divulgacion se refiere a la provision de servicios auxiliares en una red de alimentacion, y mas en concreto a la regulacion de frecuencia y la reserva sincronizada usando sistemas de almacenamiento de electricidad.
Para cualquier periodo de tiempo dado, por ejemplo, un dfa, los operadores de la red electrica estiman la cantidad de energfa necesaria para cada segundo, minuto u hora de ese periodo de tiempo. Los suministradores de electricidad suministran esta cantidad estimada de energfa por medio de centrales electricas. En general, el promedio de la carga real se encuentra relativamente cerca de la cantidad estimada. No obstante, hay fluctuaciones instantaneas en la cantidad de energfa que se requiere, dando lugar a que la carga real sea mas alta que la estimacion o mas baja que la estimacion.
En respuesta a tales fluctuaciones, los suministradores de electricidad alteran la salida de potencia electrica procedente de las centrales electricas con el fin de que coincida con la carga. Este cambio en la salida de las centrales electricas en lmea se denomina “seguimiento de carga”. Cuando la carga es mas alta que la potencia que se esta entregando, es intuitivo que sea necesario aumentar la potencia de tal modo que los dispositivos electricos permanezcan completamente operativos. La figura 1 es una representacion grafica que ilustra una carga real 110 y un seguimiento de carga 120 por las centrales electricas. Tal como se puede ver, las centrales electricas en lmea no son capaces de establecer una coincidencia exacta con las fluctuaciones de carga real. Tambien existe una segunda razon, menos intuitiva, por la que las necesidades de potencia son iguales a la carga. Si la potencia suministrada es diferente de la carga de potencia, la frecuencia de la corriente CA que se suministra a hogares y empresas diferira del patron nominal, por ejemplo, 50 Hz o 60 Hz. Esta diferencia en la frecuencia puede dar lugar a que aparatos, iluminacion y otros dispositivos funcionen de forma ineficiente, o incluso de una forma insegura.
Para mantener la frecuencia de funcionamiento requerida de la corriente CA, los operadores del sistema de alimentacion recurren a centrales electricas para proporcionar un servicio adicional que se denomina regulacion de frecuencia. En la figura 1, la lmea 130 ilustra como la regulacion de frecuencia requiere ajustes momento a momento de mas y menos potencia para mantener la frecuencia en el intervalo de funcionamiento deseado. Si la carga (demanda) es mas baja que la potencia que se esta suministrando, la frecuencia de salida aumenta por encima de 60 Hz. A la inversa, si la carga es mayor que la potencia suministrada, la frecuencia disminuye (a medida que los generadores ralentizan su produccion de energfa). Otros servicios auxiliares similares tambien responden a desviaciones en la frecuencia de la red de alimentacion, tal como la reserva sincronizada que comporta centrales electricas de respuesta rapida que ya estan sincronizadas con la frecuencia de la red y pueden comenzar a suministrar energfa muy rapidamente en el caso de un fallo u otro problema con el suministro de alimentacion. En general, servicios tales como la regulacion de frecuencia y la reserva sincronizada, caen en una categona a la que se hace referencia como Servicios Auxiliares para la red de alimentacion, debido a que estos servicios operan para soportar los requisitos esenciales de proporcionar potencia y energfa para su consumo.
Historicamente, la regulacion de frecuencia, la reserva sincronizada y otros servicios auxiliares han sido provistos por las centrales electricas. No obstante, tambien se pueden usar algunas tecnologfas de almacenamiento de energfa, tales como batenas, volantes, condensadores, u otros dispositivos para suministrar energfa a la red de alimentacion electrica. Estas tecnologfas de almacenamiento de energfa, por su naturaleza, tambien tienen la capacidad de tomar energfa en exceso de la red para almacenarse para su uso posterior asf como de descargar energfa a la red. Debido a que la regulacion de frecuencia requiere ajustes constantes tanto de adicion como de sustraccion de la energfa total en el sistema de momento a momento (vease la figura 1, lmea 130), las tecnologfas de almacenamiento de energfa son muy adecuadas para satisfacer esta necesidad.
Las tecnologfas de almacenamiento de energfa no crean directamente una energfa nueva, sino que preven una eficiencia aumentada en el uso de la energfa generada por centrales electricas, al hacer que esta coincida mejor con el cambio instantaneo en las necesidades en la red de alimentacion. Esta eficiencia prevera un coste total inferior y menores emisiones en relacion con el accionamiento del sistema de alimentacion. Ademas, que las tecnologfas de almacenamiento de energfa abastezcan a servicios auxiliares permite que las capacidades energeticas de las centrales electricas existentes se enfoquen hacia la produccion de energfa para su consumo en lugar de desviarse a servicios que se requieren para mantener la red de alimentacion, retardando potencialmente la necesidad de nuevas centrales electricas a medida que la demanda suba con el tiempo.
No obstante, la mayor parte de las tecnologfas de almacenamiento de energfa, en comparacion con las centrales electricas, estan limitadas en cuanto a la cantidad de energfa total o la duracion de energfa que se puede suministrar o extraer de la red de alimentacion electrica. Por ejemplo, en el caso de los sistemas de almacenamiento de energfa de batena, la batena puede alcanzar un punto de encontrarse sin energfa o completamente lleno de energfa y, por lo
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tanto, incapaz de realizar la funcion de regulacion que se requiere en ese instante. No obstante, dadas las fluctuaciones arriba y abajo momento a momento necesarias para una regulacion de frecuencia eficaz en la red de alimentacion, una unidad de almacenamiento de energfa que es incapaz de funcionar un momento, tal como el caso en el que la batena esta vada y se necesita energfa, sena capaz de funcionar en el siguiente instante, tal como el caso en el que la batena vada se encuentra ahora disponible para absorber energfa en exceso. Para hacer frente a este reto, las tecnologfas de almacenamiento de energfa necesitan mecanismos, procesos y controles que posibiliten el patron operativo de sostenimiento de carga mas eficaz de la unidad de almacenamiento de energfa para satisfacer las necesidades de la regulacion de frecuencia y otros servicios auxiliares.
A pesar de que se han propuesto sistemas de control genericos para las tecnologfas de almacenamiento de energfa conectadas con una red de alimentacion, no se han logrado sistemas reales que puedan sostener de forma fiable la capacidad del sistema para servicios auxiliares en la red de alimentacion. Por lo tanto, es deseable tener un sistema de control para sistemas de almacenamiento de energfa que pueda coordinar de forma fiable el estado de carga (SOC, state of charge) o la capacidad de almacenar o descargar energfa del sistema de almacenamiento de energfa con las necesidades momento a momento de la red de alimentacion para la regulacion de frecuencia, la reserva sincronizada y otros servicios auxiliares. Ademas, es deseable que tal sistema de control opere para restablecer el sistema de almacenamiento de energfa a un SOC optimo de una forma que sostiene la capacidad en curso de la unidad de almacenamiento de energfa para ser capaz de responder a senales automaticas o de expedicion para estos servicios.
Por ejemplo, el documento WO2007/104167 divulga un metodo de accionamiento de un sistema de almacenamiento de energfa de batena (BESS, battery energy storage system). De acuerdo con el metodo del documento WO2007/104167, se determinan unos puntos de consigna inferior y superior para el estado de carga (SoC) de la batena, y la batena se carga si el SoC se encuentra por debajo del punto de consigna inferior y se descarga si el SoC se encuentra por encima del punto de consigna superior. Si la batena esta completamente cargada, la energfa electrica se disipa en unos medios de disipacion de energfa, preferiblemente una resistencia.
Sumario
Las realizaciones divulgadas proporcionan sistemas, aparatos y metodos para controlar el comportamiento de carga o de descarga de un sistema de almacenamiento de energfa que esta energeticamente acoplado a la red electrica de tal modo que este preve una disponibilidad sostenida de la capacidad de carga y de descarga adecuada para la regulacion de frecuencia y otros servicios auxiliares para la red de alimentacion cuando sea necesario, y se recupera hasta un nivel especificado de estado de carga (SOC) cuando no se encuentra en uso activo y las condiciones de la red lo permitan. Cuando un operador solicita regulacion (es decir, anadir o retirar energfa de la red) mediante expedicion o a traves de un control automatizado, el mecanismo de control confirma que el valor de SOC permitira la carga o descarga solicitada y, entonces, permite que el sistema de almacenamiento de energfa atienda la solicitud mediante la provision de energfa adicional o la absorcion de energfa en exceso.
Para mantener una carga apropiada, se supervisan un valor de estado de carga (SOC) del dispositivo de almacenamiento de energfa, la frecuencia de red y la tasa de cambio de la frecuencia de red. Cuando no se esta atendiendo una solicitud procedente del operador para regular la frecuencia de red, la carga del dispositivo de almacenamiento se puede aumentar o disminuir de tal modo que la carga se puede sostener dentro de un intervalo especificado. Una vez que el valor de SOC ha cafdo fuera de este intervalo, de forma apropiada se anade carga a, o se retira carga de, las celulas de almacenamiento, con la condicion de que la frecuencia de red y la tasa de cambio de la frecuencia de red tengan unos valores apropiados.
Una mejor comprension de los principios y ventajas de la presente invencion se puede obtener con referencia a la siguiente descripcion detallada y los dibujos adjuntos.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una representacion grafica que ilustra una carga real y un seguimiento de carga, asf como potencia de regulacion.
La figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de almacenamiento de energfa a modo de ejemplo conectado con la red de alimentacion para servicios auxiliares.
La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo de sostenimiento de un intervalo especificado de carga en el sistema de almacenamiento de energfa que se usa para regular una frecuencia de funcionamiento de una red electrica.
La figura 4 es una grafica que muestra una respuesta lineal a desviaciones de frecuencia en la red de alimentacion. Las figuras 5a y 5b son unas graficas que ilustran dos ejemplos de mantenimiento de carga para el dispositivo de almacenamiento de energfa.
La figura 6 es una tabla que muestra un ejemplo de las acciones respectivas emprendidas para diversos estados de la frecuencia de red y el estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energfa.
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Descripcion detallada
Las realizaciones divulgadas proporcionan sistemas, aparatos y metodos para mantener el estado de carga (SOC) de un dispositivo de almacenamiento de energfa que esta energeticamente acoplado a la red electrica para proporcionar servicios auxiliares. Como un ejemplo, cuando un operador solicita regulacion (es decir, anadir o retirar energfa de la red), un sistema de regulacion atiende la solicitud mediante la provision de energfa adicional procedente del dispositivo de almacenamiento de energfa o la absorcion de ene^a en exceso al dispositivo de almacenamiento de energfa. Con el fin de responder de forma fiable a solicitudes de operador posteriores, la carga en el dispositivo de almacenamiento de energfa se sostiene dentro de un intervalo especificado.
A modo de antecedentes, y para facilitar una comprension de los principios tras la invencion, una unidad de regulacion de frecuencia que emplea batenas como celulas de almacenamiento de energfa se describira como un ejemplo de un servicio auxiliar al que se pueden aplicar los principios de la invencion. Es posible aplicar estos principios a la gestion y el control de otros tipos de dispositivos de almacenamiento de energfa tales como volantes, condensadores, y otras tecnologfas, caso en el cual los valores y los puntos de consigna se ajustanan para responder por las caractensticas relevantes del sistema elegido. La figura 2 es un diagrama de bloques de una unidad de regulacion de frecuencia 200. La unidad de regulacion de frecuencia 200 proporciona y recibe energfa a y de una red electrica 205. Por ejemplo, la energfa se puede proporcionar a traves de una subestacion local o lmeas de transmision. De esta forma, la red electrica proporciona una cantidad apropiada de potencia para la carga actual, a una frecuencia nominal especificada, por ejemplo, 60 Hz.
La unidad de regulacion de frecuencia 200 incluye un conjunto de celulas de almacenamiento de energfa 210, tales como batenas. En una realizacion, se usan batenas avanzadas de ion litio. El conjunto de celulas de almacenamiento de energfa, tales como las batenas 210, esta energeticamente acoplado a la red electrica. Tal como se usa en el presente documento, la expresion “energeticamente acoplado” quiere decir que la energfa puede fluir de un objeto a otro. Por ejemplo, la electricidad en forma de una corriente CA o CC puede fluir de un objeto a otro de una forma bidireccional. Las batenas 210 proporcionan energfa a la red 205 o reciben energfa de la red 205, segun sea necesario, por ejemplo, para regular la frecuencia de red.
Cuando se esta proporcionando energfa a la red 205, una corriente CC se desplaza de las batenas 210 a unos convertidores bidireccionales de CA/CC 215, que convierten la corriente CC en una corriente CA. En una realizacion, se usan onduladores para la conversion de CC a CA. Cuando se almacena energfa procedente de la red, se usan rectificadores para la conversion de CA a CC. Se pueden usar diferentes tipos de onduladores y rectificadores, tal como sera evidente a un experto en la materia. La corriente CA fluye entre los convertidores 215 y la red 205 por medio de un transformador 220.
Un sistema de conversion de potencia (PCS, power conversion system) 225 es un sistema de control logico para los convertidores bidireccionales de CA/CC 215. Un controlador logico programable (PLC, programmable logic controller) indica al PCS 225 que conecte o desconecte los convertidores 215 de las batenas 210 y/o la red 205. En una realizacion, la conexion entre el transformador 220 y la red 205 puede ser mediante un conmutador manual, el cual se encuentra normalmente cerrado durante el funcionamiento del sistema 200.
En una realizacion, el controlador logico programable (PLC) 230 usa una logica de programa en escalera (LADDER) para producir un control en tiempo real. El PLC 230 envfa y recibe senales de datos a el PCS 225 por medio de una lmea de interfaz de datos (DI, data interface) 3. Entradas a modo de ejemplo al PLC 230 desde el PCS 225 son una senal de estado de disponibilidad, y salidas a modo de ejemplo desde el PLC 230 son la cantidad de energfa a cargar o descargar, e instrucciones para conectar/desconectar los convertidores 215 con/de la red 205 y/o las batenas 210.
Para mantener las batenas en un estado que posibilita que estas respondan a solicitudes de anadir energfa a o absorber energfa de la red, el sistema 200 incluye un sistema de gestion de batena (BMS, battery management system) 235. El BMS 235 equilibra las celulas de batena 210 y mantiene un conocimiento de un estado de carga (SOC) de las celulas. El SOC de las batenas 210 es una medicion de la capacidad actual de las batenas de enviar y recibir energfa. Entradas a modo de ejemplo al PLC 230 desde el BMS 235, por medio de la lmea de DI 4, son las capacidades de potencia de las batenas 210 (por ejemplo, en MW-segundo), defectos y el SOC.
En una realizacion, el SOC es un porcentaje que va de un 0 % a un 100 %, en el que un 100 % quiere decir que no se puede almacenar mas energfa en las batenas 210. En un aspecto, el SOC se calcula a partir de niveles de tension de circuito abierto y/o de circuito cerrado. No obstante, el SOC se puede calcular en cualquier numero de formas, tal como es conocido por un experto en la materia.
Se puede usar una unidad de terminal remoto (RTU, remote terminal unit) 250 para conectar con un sistema de Control de Supervision y Adquisicion de Datos (SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) 255 por medio de la lmea de DI 1. En una realizacion, el SCADA esta asociado con un operador (por ejemplo, un sistema de servicio publico) que acciona la red 205. Las entradas a modo de ejemplo desde el SCADA 255 al PLC 230 incluyen una
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solicitud para regular la frecuencia de red. La solicitud puede incluir una cantidad de ene^a (por ejemplo, en MW) a cargar o descargar, y podna incluir la frecuencia de red.
Las salidas a modo de ejemplo desde el PLC 230 incluyen un estatus y una disponibilidad del sistema 200. En una realizacion, el PLC 230 podna enviar informacion al SCADA 255 acerca del sOc o sus capacidades, de tal modo que el SCADA 255 sabe con antelacion si el sistema puede proporcionar o no un servicio.
El PLC 230 tambien puede recibir senales de datos a traves de la lmea de DI 2 a partir de un transductor 260, que esta acoplado a la red 205. El transductor 260 detecta la senal de CA en la red 205 para determinar la frecuencia de la electricidad que se esta entregando a traves de la red.
En una implementacion, un suministro de alimentacion ininterrumpible (SAI) 265 suministra potencia al PLC 230. En otra realizacion, el PLC 230 envfa y recibe senales (por medio de la lmea de DI 5) a partir de una unidad de HVAC 240 para mantener unas condiciones ambientales apropiadas para las batenas 210 y otros componentes. Entradas a modo de ejemplo al PLC 230 desde la HVAC 240 son temperatura y humedad, y una salida a modo de ejemplo a la HVAC es un ajuste de termostato.
En aun otra implementacion, un ordenador 245 esta conectado con el PLC 230 para controlar, programar o establecer parametros del PLC 230. El ordenador 245 tambien se puede usar para supervisar el sistema 200. Entradas a modo de ejemplo desde el ordenador 245 al PLC 230 son senales de parada y de arranque. Salidas a modo de ejemplo al ordenador 245 son eventos de registro, datos de registro y notificaciones de alertas.
Cuando se esta realizando la regulacion de frecuencia, se puede recibir una solicitud en el PLC 230 a partir del operador de la red electrica a traves del SCADA 255 y la RTU 250. La solicitud puede incluir instrucciones para absorber energfa de o anadir energfa a la red electrica. En una realizacion, la solicitud especifica cuanta energfa transferir o una tasa para la transferencia. En respuesta, se transfiere energfa a/desde la red, dependiendo de si la solicitud es para aumentar o disminuir la frecuencia de red actual o, de forma equivalente, para absorber o anadir energfa.
A continuacion de lo anterior, la regulacion se puede detener en respuesta a otra solicitud de expedicion procedente del operador. Por ejemplo, el operador puede considerar que la frecuencia de red se encuentra a, o cerca de, la frecuencia nominal deseada. El operador tambien puede considerar que no es probable que la frecuencia cambie pronto, por ejemplo, debido a que el operador puede predecir que la generacion de energfa por centrales en lmea coincidira con la carga esperada. En otro ejemplo, la regulacion se puede detener basandose en una medicion por el sistema 200 que la frecuencia de red se encuentra a, o cerca de, el valor deseado. La regulacion tambien se puede detener por otras razones, tales como detectar un defecto.
Durante la regulacion, el SOC de las batenas puede subir o caer drasticamente. Por ejemplo, las batenas pueden haber transmitido una cantidad significativa de energfa a la red, dejando de este modo las batenas con muy poca carga (por ejemplo, un SOC de aproximadamente un 20 %). En otro ejemplo, las batenas pueden haber recibido una gran cantidad de energfa de la red, dejando de este modo las batenas con una cantidad alta de carga (por ejemplo, un SOC de aproximadamente un 85 %). En ambos de estos casos, las batenas se encuentran en malas condiciones para continuar regulando la frecuencia de red si es necesario, respectivamente, anadir o absorber mas energfa. Por lo tanto, para proporcionar un servicio mas fiable, la carga en las batenas se modifica de acuerdo con los principios de la invencion, para mantener esta dentro de un intervalo deseable durante la mayor cantidad de tiempo posible.
La modificacion puede ser aumentar o disminuir la carga, segun sea apropiado. La modificacion solo tiene lugar cuando es beneficioso obrar de este modo, para equilibrar la necesidad de un SOC apropiado con las necesidades globales del sistema de distribucion de alimentacion. De acuerdo con una implementacion, la modificacion se lleva a cabo mientras que la frecuencia de red se encuentra en una banda inactiva que no requiere regulacion alguna. Durante este tiempo, se puede anadir/retirar carga hasta el valor de SOC, que se puede supervisar en el PLC 230 basandose en informacion a partir del BMS 230, se encuentra dentro de un intervalo especificado. Por ejemplo, el intervalo puede estar centrado en torno a un 50 % de tal modo que el sistema 200 puede igualmente proporcionar o recibir energfa. En otras realizaciones, el estado objetivo puede ser mas alto o mas bajo que aproximadamente un 50 %, por ejemplo, cuando se conoce que es probable una gran transferencia en un sentido espedfico.
La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra un metodo general de sostenimiento de un intervalo especificado de carga en las batenas que se usan para regular una frecuencia de funcionamiento de una red electrica durante el tiempo que el sistema 200 no esta anadiendo o absorbiendo potencia para proporcionar una regulacion de frecuencia. En la etapa 310, se obtiene el valor de SOC actual. Por ejemplo, el PLC 230 puede recibir el SOC a partir del BMS 235. En una realizacion, el valor de SOC se supervisa de forma periodica.
En la etapa 320, se obtiene una medicion de la frecuencia de red. Por ejemplo, el PLC 230 puede recibir la frecuencia de red medida del transductor 260 de forma periodica. La frecuencia recibida se comprueba para determinar si esta se encuentra dentro de una banda inactiva establecida. Por ejemplo, se podna realizar una determinacion de si esta se encuentra dentro del intervalo de 60 Hz ± 0,025 Hz. Este intervalo puede ser el mismo
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que el intervalo que usa el operador para determinar cuando una solicitud al sistema 200 para la regulacion de frecuencia esta garantizada, o este puede ser diferente. Por ejemplo, se podna realizar una solicitud de regulacion solo cuando la frecuencia de funcionamiento instantanea se encuentra fuera de un intervalo de 60 Hz ± 0,05 Hz.
Si la frecuencia de red instantanea se encuentra fuera de la banda inactiva, entonces el ajuste del SOC no es apropiado, debido a que una transferencia de energfa a la red cuando la frecuencia es alta, o de la red cuando la frecuencia es baja, puede dar lugar a una necesidad de regulacion por sf misma. En este caso, el proceso de la figura 3 termina y el PLC continua con otras tareas en la etapa 325.
No obstante, si la frecuencia de red se encuentra dentro de la banda inactiva, se realiza una determinacion en la etapa 330 de si el SOC se encuentra fuera de un intervalo de sostenimiento definido por unos lfmites superior e inferior L1 y L2. En una implementacion, L1 podna ser igual a un 45 % de la plena capacidad de batena, y l2 podna ser igual a un 55 % de la capacidad. En la etapa 340, la carga se modifica si el SOC se encuentra fuera del intervalo de sostenimiento, pero la frecuencia de red se encuentra dentro de la banda inactiva, tal como se explica con mayor detalle en lo sucesivo en el presente documento. Por ejemplo, si se determina que es deseable tener el SOC en un intervalo entre aproximadamente un 45 % - 55 %, entonces la carga se puede modificar para un SOC de aproximadamente un 35 %. En un caso de este tipo, el SOC se modifica transfiriendo energfa de la red a las celulas de almacenamiento. Si se determina que el SOC se encuentra dentro del intervalo de sostenimiento en la etapa 330, no tiene lugar transferencia de energfa alguna entre la red y las celulas de almacenamiento, y el proceso continua en la etapa 325.
Durante la modificacion de la carga, la frecuencia de red se supervisa de forma continua para determinar si esta se ha salido de la banda inactiva, en la etapa 350. Si tiene lugar esto, el sistema 200 detiene la carga y continua en la etapa 325. Si la frecuencia de red permanece dentro de la banda inactiva, el proceso avanza a la etapa 360.
En la etapa 360, se realiza una determinacion de si el valor de SOC ha vuelto a un valor aceptable. En una realizacion, el intervalo aceptable es el mismo intervalo que se usa para determinar si es necesario que se modifique la carga en la etapa 330. En otra realizacion, el intervalo aceptable es mas pequeno. Por ejemplo, la carga se puede modificar hasta que el SOC se encuentra en o cerca de un 50 %. De lo contrario, el valor de SOC puede merodear cerca de un extremo del intervalo, y requerir modificacion de carga repetidamente. Si el SOC no ha logrado un valor aceptable, se repiten las etapas 340 - 360. Una vez que se ha determinado que el SOC se encuentra a un nivel aceptable en la etapa 360, el sistema 200 detiene el proceso de carga y continua en la etapa 325.
El proceso que se ilustra en la figura 3 se puede iniciar en una serie de formas diferentes. En una implementacion, el PLC 230 puede supervisar directamente la frecuencia de la potencia de la red, por medio del transductor 260, para determinar cuando la frecuencia se encuentra dentro de la banda inactiva establecida. Cuando se detecta esta condicion, el PLC puede iniciar el proceso de la figura 3, para evaluar si es necesario que se modifique el SOC de las celulas de almacenamiento y, de ser asf, proseguir con la modificacion.
En otra implementacion, el PLC puede interpretar instrucciones que se reciben del operador del sistema para determinar si la frecuencia de funcionamiento se encuentra en la banda inactiva. Por ejemplo, si las instrucciones a determinados suministradores de electricidad son para anadir o absorber energfa a una tasa de transferencia relativamente baja, otros suministradores a los que no se les pide obrar de este modo en ese instante podnan inferir que la frecuencia de funcionamiento se encuentra bastante cerca de la frecuencia nominal, e iniciar de ese modo el proceso de la figura 3.
Como una tercera posibilidad, el propio operador del sistema podna emitir informacion de estatus para indicar cuando la frecuencia de funcionamiento se encuentra en la banda inactiva, o enviar una instruccion explfcita para iniciar un procedimiento de mantenimiento de SOC.
A continuacion se describiran con mayor detalle, con referencia a las figuras 4 y 5, los procesos particulares para regular la frecuencia de la red y para ajustar el SOC de las celulas de almacenamiento. La figura 4 es una grafica que ilustra una realizacion del funcionamiento del sistema para regular la frecuencia de la red. El eje vertical representa la frecuencia detectada de la red en hercios, y el eje horizontal muestra la cantidad de energfa que se transfiere entre las celulas de almacenamiento y la red, en megavatios. En el ejemplo de la figura 4, se usan 60 Hz como la frecuencia de red nominal. El area entre las lmeas de trazos en el diagrama de la figura 4 representa un intervalo de respuesta en el que se toleran fluctuaciones de la frecuencia de red en torno al valor nominal sin la necesidad de regularse. En el ejemplo que se ilustra, la banda inactiva es 60 Hz ± 0,05 Hz. Se apreciara que la frecuencia abarcada por la banda inactiva puede ser mas grande o mas pequena que el intervalo de 0,10 Hz que se muestra en el presente ejemplo.
Cuando la frecuencia instantanea de la red se encuentra dentro del intervalo aceptable, no tiene lugar regulacion alguna, es decir, se indica a los convertidores 215 que abran la conexion entre la red 205 y las celulas de almacenamiento 210, de tal modo que no se transfiera energfa entre las mismas. Una vez que la frecuencia ha salido de este intervalo, los convertidores se activan para transferir energfa, en un sentido que se corresponde con si la frecuencia se encuentra por encima o por debajo del valor nominal. En el ejemplo de la figura 4, unos valores
5
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65
positivos en el eje horizontal representan la transferencia de energfa desde las celulas de almacenamiento a la red. Por lo tanto, una vez que la frecuencia ha cafdo por debajo del valor nominal de 60 Hz en mas de 0,05 Hz, los onduladores se activan para convertir corriente CC procedente de las celulas de almacenamiento en corriente CA y suministrar esta a la red. A la inversa, si la frecuencia supera el valor nominal en mas de la tolerancia aceptable, los rectificadores se activan para convertir potencia procedente de la red en corriente CC y suministrar esta a las celulas de almacenamiento.
En el ejemplo de la figura 4, la cantidad de energfa que se transfiere a o de la red es linealmente proporcional a la cantidad en la que la frecuencia de red instantanea se desvfa de la frecuencia nominal. No obstante, tambien se pueden emplear otras funciones para la relacion entre la desviacion de frecuencia y la cantidad de energfa que se transfiere, tal como un polinomio de orden superior que pasa a traves del origen de la grafica.
Las figuras 5a y 5b son unas graficas que ilustran dos ejemplos de operaciones para sostener el SOC de las celulas de almacenamiento de acuerdo con los principios de la invencion. En estas graficas, el eje vertical representa el SOC de las celulas. Tal como se ha analizado previamente, esta operacion solo tiene lugar mientras que la frecuencia instantanea se encuentra dentro de la banda inactiva. En el ejemplo de la figura 5a, se emplea una funcion escalon, de tal modo que una tasa fija de energfa se transfiere a o de la red mientras que las celulas de almacenamiento se estan descargando o cargando, respectivamente. En el ejemplo que se ilustra, la transferencia de carga y de descarga solo tiene lugar mientras que el SOC se encuentra fuera del intervalo de sostenimiento. Una vez que el SOC ha disminuido hasta el lfmite superior, por ejemplo, 55 %, o aumenta hasta el lfmite inferior, por ejemplo, un 45 %, la tasa de transferencia conmuta a 0 MW. Tal como se ha analizado previamente, no obstante, una vez que se ha iniciado la carga o la descarga cuando el SOC se encuentra fuera del intervalo, este puede continuar hasta un instante tal que el SOC alcanza un valor de un 50 %, o cerca del mismo.
En el ejemplo de la figura 5b, la tasa de transferencia es una funcion del estado de carga. En este caso, se emplea un polinomio de tercer orden para determinar la cantidad de energfa que se va a transferir de acuerdo con el SOC. Asimismo, pueden emplearse polinomios de orden superior.
Se pueden emplear otros factores para determinar la tasa de carga o de descarga de las celulas de almacenamiento. Por ejemplo, la tasa de transferencia podna ser una funcion de la frecuencia de la red dentro de la banda inactiva, en lugar del estado de carga. Como otro ejemplo, la tasa de carga se podna atenuar de acuerdo con la cuota de mercado del suministrador de electricidad. Esto se puede hace para evitar la posibilidad de que un suministrador con una gran cuota de mercado y, por lo tanto, una gran cantidad de capacidad de almacenamiento, afecte de forma adversa al estado global de la red al presentar una carga demasiado grande mientras se cargan sus celulas de almacenamiento, o anadir demasiada energfa a la red cuando se estan descargando sus celulas de almacenamiento.
La tabla de la figura 6 proporciona un ejemplo de las operaciones que se llevan a cabo para proporcionar servicios auxiliares en la red electrica y mantener el SOC de las celulas de almacenamiento que se usan para soportar tales servicios. Las filas de la tabla se corresponden con tres intervalos respectivos del sOc, en concreto por encima del lfmite superior L2 (por encima del intervalo), entre los lfmites L1 y L2 (dentro del intervalo), y por debajo del lfmite inferior L1 (por debajo del intervalo). Las columnas de la tabla muestran diferentes intervalos respectivos para la frecuencia de red, en relacion con el punto de consigna nominal, por ejemplo, 60 Hz.
Las celulas de la tabla con un sombreado mas oscuro indican acciones que se emprenden en respuesta a una formula o una orden expedida desde un operador de servicio. El sombreado mas claro indica acciones que se emprenden para proporcionar mantenimiento de carga. Cuando la frecuencia instantanea es Muy Baja o Muy Alta, es decir, se encuentra fuera de la banda inactiva, la accion emprendida es descargar las celulas de almacenamiento a la red, o cargar las celulas de almacenamiento a partir de la red, respectivamente, suponiendo que las celulas de almacenamiento tengan una capacidad adecuada de realizar la accion requerida. Cuando la frecuencia se encuentra dentro de la banda inactiva, pero no en el punto de consigna, la accion a realizar depende de la frecuencia y el SOC. Si la frecuencia se encuentra por debajo del punto de consigna, las celulas de almacenamiento se descargan cuando el SOC se encuentra por encima del intervalo y estan provistas con una carga por goteo cuando el SOC se encuentra por debajo del intervalo. Si la frecuencia se encuentra por encima del punto de consigna, las celulas de almacenamiento estan provistas con una descarga por goteo cuando el SOC se encuentra por encima del intervalo y se cargan cuando el sOc se encuentra por debajo del intervalo.
Por ejemplo, los ejemplos anteriores se han descrito en el contexto de la regulacion de frecuencia, en el que la potencia se anade a o se absorbe de la red con fines de seguimiento de carga. En esta situacion, la decision de anadir o absorber potencia esta basada en el valor instantaneo de la frecuencia de funcionamiento en relacion con unos valores umbral establecidos, por ejemplo, los lfmites de la banda inactiva. Los principios que se describen en el presente documento son igualmente aplicables a otros servicios auxiliares que responden a cambios en la frecuencia de funcionamiento de la red. Por ejemplo, para responder a una rapida cafda en la frecuencia de funcionamiento, un parametro tal como la tasa de cambio de la frecuencia se podna emplear ademas de, o en lugar de, el valor instantaneo de la frecuencia de funcionamiento, como un mecanismo desencadenante para una instruccion para anadir potencia a la red. Dentro de diferentes aplicaciones para servicios auxiliares, los puntos de
consigna del dispositivo se modificaffan para ese servicio usando la misma estructura de control y de logica que se describe para la regulacion de frecuencia.
Se entendera que la presente invencion tal como se ha descrito en lo que antecede se puede implementar en forma 5 de logica de control usando soporte ffsico y/o usando soporte logico informatico de una forma modular o integrada. Basandose en la divulgacion y en las ensenanzas que se proporcionan en el presente documento, un experto en la materia sabra y apreciara otras formas y/o metodos para implementar la presente invencion usando soporte ffsico y una combinacion de soporte ffsico y soporte logico.
10 Cualquiera de los componentes de soporte logico o funciones que se describen en la presente solicitud, se puede implementar como codigo de soporte logico para su ejecucion por un procesador usando cualquier lenguaje informatico adecuado tal como, por ejemplo, Java, C++ o Perl usando, por ejemplo, tecnicas convencionales u orientadas a objetos. El codigo de soporte logico se puede almacenar como una serie de instrucciones u ordenes en un medio legible por ordenador para su almacenamiento y/o transmision, los medios adecuados incluyen memoria
15 de acceso aleatorio (RAM, random access memory), una memoria de solo lectura (ROM, read only memory), un medio magnetico tal como una unidad de disco duro o un disquete flexible o un medio optico tal como un disco compacto (CD, compact disk) o DVD (digital versatile disk, disco versatil digital), memoria flash y similares. El medio legible por ordenador puede ser cualquier combinacion de tales dispositivos de almacenamiento.
20 La descripcion anterior de realizaciones a modo de ejemplo se ha presentado con fines de ilustracion y de descripcion. Las realizaciones se describen para explicar los principios de la invencion y sus aplicaciones practicas para posibilitar de ese modo que otros expertos en la materia utilicen la invencion.

Claims (9)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
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    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de respuesta a cambios en la frecuencia de funcionamiento de una red electrica (205) por medio de dispositivos de almacenamiento de ene^a (210) que estan energeticamente acoplados a la red electrica, comprendiendo el metodo:
    determinar si un parametro de la frecuencia de funcionamiento de la red electrica se encuentra dentro de un intervalo predeterminado;
    si se determina que el parametro de frecuencia de funcionamiento se encuentra fuera de dicho intervalo predeterminado, ajustar la frecuencia transfiriendo energfa entre los dispositivos de almacenamiento de energfa y la red electrica;
    si el parametro de frecuencia de funcionamiento se encuentra dentro de dicho intervalo predeterminado, determinar si un estado de carga (SOC) de los dispositivos de almacenamiento de energfa se encuentra dentro de lfmites predeterminados; y
    transferir energfa entre el dispositivo de almacenamiento de energfa y la red electrica para llevar el SOC dentro de dichos lfmites predeterminados cuando el parametro de frecuencia de funcionamiento se encuentra dentro de dicho intervalo predeterminado y el SOC del dispositivo de almacenamiento de energfa se encuentra fuera de dichos lfmites predeterminados, en el que la transferencia comprende descargar o cargar el dispositivo de almacenamiento de energfa, caracterizado por que
    dicho parametro de frecuencia de funcionamiento es la tasa de cambio de la frecuencia de funcionamiento y por que se transfiere energfa entre la red y el dispositivo de almacenamiento de energfa para regular la frecuencia a una tasa que es una funcion no lineal de la frecuencia de funcionamiento de la red, en el que la funcion es un polinomio de un orden mas alto que uno.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente:
    supervisar el estado de carga (SOC) con un sistema de gestion de dispositivos de almacenamiento de energfa a partir del cual se recibe un valor de SOC; y
    supervisar la frecuencia de red con un transductor a partir del cual se recibe la frecuencia de red, en el que el valor de SOC y la frecuencia de red se reciben en un control logico programable.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1, en el que se transfiere energfa entre la red y el dispositivo de almacenamiento de energfa para llevar el SOC dentro de dicho lfmite predeterminado a una tasa que esta basada en el SOC.
  4. 4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que se transfiere energfa entre la red y el dispositivo de almacenamiento de energfa para llevar el SOC dentro de dicho lfmite predeterminado a una tasa que esta basada en la frecuencia de funcionamiento de la red.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que se transfiere energfa entre la red y las celulas de almacenamiento para llevar el SOC dentro de dicho lfmite predeterminado a una tasa que esta basada en la capacidad del dispositivo de almacenamiento de energfa.
  6. 6. Un sistema (200) para responder a cambios en la frecuencia de funcionamiento de una red de distribucion de electricidad (205), que comprende:
    al menos un dispositivo de almacenamiento de energfa (210);
    un convertidor (215) que, en respuesta a una orden para anadir energfa o absorber energfa de la red, esta configurado para acoplar de forma selectiva dicho dispositivo de almacenamiento de energfa a la red para transferir energfa entre el dispositivo de almacenamiento de energfa y la red; y un sistema de mantenimiento de estado de carga (SOC) que esta configurado para:
    - determinar si un parametro de la frecuencia de funcionamiento de la red electrica se encuentra dentro de un intervalo predeterminado;
    - ajustar, si se determina que el parametro de frecuencia de funcionamiento se encuentra fuera de dicho intervalo predeterminado, la frecuencia de red transfiriendo energfa entre los dispositivos de almacenamiento de energfa y la red electrica;
    - determinar, si se determina que el parametro de frecuencia de funcionamiento se encuentra dentro de dicho intervalo predeterminado, si un estado de carga (SOC) del dispositivo de almacenamiento de energfa se encuentra dentro de unos lfmites predeterminados, y
    - controlar dicho convertidor para transferir energfa entre el dispositivo de almacenamiento de energfa y la red electrica para llevar el SOC dentro de dichos lfmites predeterminados cuando el parametro de frecuencia de funcionamiento se encuentra dentro de dicho intervalo predeterminado y el SOC del dispositivo de almacenamiento de energfa se encuentra fuera de dichos lfmites predeterminados, en el que la transferencia comprende descargar o cargar el dispositivo de almacenamiento de energfa, caracterizado por que dicho parametro de frecuencia de funcionamiento es la tasa de cambio de la frecuencia de funcionamiento, y por que el sistema de mantenimiento de SOC esta configurado para transferir la energfa entre la red y el dispositivo de almacenamiento de energfa para
    ajustar la frecuencia a una tasa que es una funcion no lineal de la frecuencia de funcionamiento de la red, en el que la funcion es un polinomio de un orden mas alto que uno.
  7. 7. El sistema (200) de la reivindicacion 6, en el que dicho sistema de mantenimiento de SOC incluye un controlador
    5 (230) configurado para indicar al convertidor que conecte y desconecte el dispositivo de almacenamiento de energfa
    y la red.
  8. 8. El sistema (200) de la reivindicacion 7, en el que el controlador esta configurado para indicar al convertidor que transfiera energfa entre la red y el dispositivo de almacenamiento de energfa a una tasa que esta basada en el SOC,
    10 en la frecuencia de funcionamiento de la red y/o en la capacidad del dispositivo de almacenamiento de energfa.
  9. 9. El sistema (200) de la reivindicacion 7, que incluye adicionalmente un sistema de gestion de celulas de almacenamiento (235) configurado para proporcionar datos al controlador que conciernen al estado de carga del dispositivo de almacenamiento de energfa (210).
    15
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