ES2587597T3

ES2587597T3 - Método de ajuste de potencia absorbido por al menos un vehículo alimentado eléctricamente

Info

Publication number: ES2587597T3
Application number: ES11757326.1T
Authority: ES
Inventors: Eric Chattot; Said El Fassi; Xavier Bavard; Jean-Noël VERHILLE
Original assignee: Siemens SAS
Current assignee: Siemens SAS
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2031-09-15
Also published as: US9487091B2; WO2012084282A2; BR112013016247A2; CA2822703A1; PL2655121T3; CN103328252B; EP2655121A2; KR20140005187A; CN103328252A; US20130270904A1; WO2012084282A3; EP2655121B1

Abstract

Método de ajuste de potencia absorbido por al menos un vehículo alimentado por al menos: - una unidad de almacenamiento de energía eléctrica, - una red eléctrica en el suelo que proporciona al vehículo por lo menos una corriente de impulso necesaria para poner en marcha el vehículo, caracterizada porque, - la unidad de almacenamiento de energía eléctrica está instalada a bordo de por lo menos dicho vehículo, - antes y por lo menos durante la puesta en marcha del vehículo, la corriente de impulso se ajusta a un valor medio constante y las variaciones de dicha corriente de impulso alrededor del valor medio son mantenidas mínimas pidiendo por lo menos una aportación variable de compensación de energía de la unidad de almacenamiento de energía de dicho vehículo.

Description

DESCRIPCION

Metodo de ajuste de potencia absorbido por al menos un vehlcuio alimentado electricamente

La presente invencion se refiere principalmente a un metodo de ajuste de potencia absorbido por al menos un vehlcuio alimentado electricamente, segun el preambulo de la reivindicacion 1 y un ordenador asociado.

5 Los sistemas de alimentacion de energla de traccion de una llnea de metro u otras formas de transporte publico (tranvla, trolebus, autobuses guiados, trenes, vehlculos autoguiados (sin chofer), etc.) sufren fluctuaciones energeticas que principalmente dependen del numero de vehlculos en llnea as! como de su sincronismo. El consumo energetico, que aumenta con el numero de vehlculos, no es constante y depende en gran medida de las fases de funcionamiento (aceleracion, velocidad de paso, desaceleracion) de los vehlculos. Estas variaciones 10 rapidas de energla son el origen de crestas de potencia suministradas por las instalaciones fijas. Estas crestas de potencia tienen una accion preponderante sobre la calidad de la distribucion de energla de la llnea, pero tambien sobre las perdidas en llnea que aumentan y afectan al rendimiento energetico global de la red de transporte publico. Tambien es necesario anotar que, en numerosos casos, dichas crestas originan sanciones contractuales con el proveedor de energla.

15 Tomando el ejemplo de una llnea de metro, el dimensionamiento de las instalaciones de distribucion de energla de la llnea, calculado para la capacidad maxima del numero de vehlculos, autoriza la explotacion de la llnea en todos los modos de funcionamiento (horas punta y horas de poca actividad). El dimensionamiento de dichas instalaciones debe tener en cuenta las crestas de potencia con el fin de garantizar la disponibilidad y la fiabilidad de la red de transporte. Para remediar la disminucion de la calidad de distribucion de energla por los carriles de alimentacion, las 20 alimentaciones («feeders») estan generalmente instalados puntualmente a lo largo de la llnea para limitar caldas demasiado fuertes de tension, as! como perdidas en llnea. En cuanto al compromiso contractual con el proveedor de energla, actualmente existen dos soluciones, con el fin de superar los problemas precitados:

1) abono sobredimensionado ante el proveedor, pero mas caro

2) abono dimensionado con la mayor precision ante el proveedor, pero sancion aplicable en caso de rebasamiento 25 de potencia.

Estos imperativos contractuales, frente a las obligaciones de realizacion, constituyen un dilema diflcil de resolver. En ambos casos, los consumos excesivos se efectuan y por lo tanto tambien presentan desventajas para el medio ambiente en cuanto a las medidas globales de reduccion de la necesidad energetica.

Se observa en el documento WO 2009/153416 A1 (SIEMENS TRANSPORTATION SYSTEMS SAS) del 23 de 30 diciembre de 2009 que describe el preambulo de la reivindicacion 1, donde un sistema de transporte para el que la red de alimentacion es regulada a una potencia media en funcion del trafico y para el que una unidad de almacenamiento en el suelo abastece una potencia de cresta a dicha red.

Un objetivo de la presente invencion es proporcionar un metodo cuyo fin es minimizar fuertes cresta de potencia absorbidas durante el impulso de corriente a por lo menos un vehlculo. Con el mismo objetivo, se trata ademas de 35 poder respetar un marco de consumo respetuoso de las condiciones de un proveedor de energla y as! tambien del medio ambiente, evitando consumos energeticos excesivos.

Este metodo se presenta a traves de las caracterlsticas de la reivindicacion 1.

A partir de un metodo de ajuste de potencia absorbido por lo menos por un vehlculo alimentado por al menos:

- una unidad de almacenamiento de energla electrica,

40 - una red electrica en el suelo que abastece al vehlculo por lo menos de una corriente de impulso util para poner en

marcha el vehlculo, la invencion preve que antes y por lo menos durante la puesta en marcha del vehlculo, la corriente de impulso se ajuste a un valor medio constante y las variaciones de dicha corriente de impulso alrededor del valor medio son mantenidas mlnimas controlando por lo menos una aportacion variable de compensacion de energla de la unidad de almacenamiento de energla de dicho vehlculo.

45 El valor medio constante esta dimensionado bajo un umbral maximo de consumo autorizado por el proveedor. Cualquier impulso de corriente que necesita rebasar este umbral, como en forma de cresta de potencia, es as! ventajosamente compensado por la aportacion variable energetica capaz de abastecer de energla al vehlculo con toda independencia de la red electrica relacionada con el proveedor. Esto demuestra que las condiciones contractuales y flsicas de un proveedor son respetadas y adaptando el umbral para permanecer por debajo de un

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nivel mlnimo maximizando la aportacion variable, las economlas energeticas son as! rentables para un gerente de transporte publico as! como para el medio ambiente.

Un conjunto de subreivindicaciones tambien presenta ventajas a la invencion.

Hay varios medios ventajosos de poner en practica el metodo segun la invencion que pueden ser utilizados dinamicamente en combinacion lineal con arreglo a su estado de almacenamiento energetico instantaneo. Entre ellos:

- la unidad de almacenamiento de energla suministra energla desde una estructura en el suelo hacia el vehlculo: se trata, por ejemplo, de ajustar la aportacion variable requerida en complemento de la corriente de impulso constante suministrada por el proveedor por medio de la unidad de almacenamiento de energla en la estacion, por ejemplo, equipada de supercondensadores u otra baterlas recargables (a las horas de poca actividad).

- la unidad de almacenamiento de energla esta instalada a bordo de al menos un vehlculo: es posible, en efecto, liberar la aportacion variable de energla si un exceso de energla se almacena por ejemplo en una supercapacidad o en una baterla embarcada. En efecto, es conocido que muchos tipos de vehlculo contienen en nuestros dlas un dispositivo de almacenamiento instalado a bordo (autobus, tranvla, metro, etc.) y esta caracterlstica hace ventajosamente aplicable el metodo segun la invencion por liberation de energla del mismo vehlculo.

En el mejor de los casos, la unidad de almacenamiento de energla almacena y suministra energla por medio de un elemento capacitivo de fuerte potencia como por lo menos un supercondensador. Este tipo de almacenamiento esta perfectamente bien adaptado para suministrar energla en forma de potencia en cresta y tiene la ventaja de ser tambien recargable en una duration corta y con una fuerte potencia, pero tambien en una duration mas larga sin necesitar as! una fuerte potencia, por lo tanto en fase de horas de poca actividad donde el consumo posible de energla para el recargo (por ejemplo de la red proveedora) puede ser mas economico.

Asimismo, la unidad de almacenamiento de energla es recargable mediante la recuperation de energla que proviene por lo menos de una de las fuentes siguientes:

- del vehlculo, idealmente durante su frenado;

- de la red electrica en el suelo, fuera de una fase de puesta en marcha del vehlculo, idealmente en horas de poca actividad de circulation.

Este recargo as! predictivo esta por tanto previsto con el fin de poder paliar las llamadas ulteriores de corriente muy fuerte, sujetas a cresta de potencia.

Con el fin de poder determinar el valor medio constante requerido as! como la aportacion variable de energla asociada y disponible, la unidad de almacenamiento de energla esta ventajosamente controlada por un algoritmo de dimensionamiento (en forma de un ordenador) de la necesidad energetica, tomando en consideration un esquema del trafico de una pluralidad de vehlculos, el valor medio de la corriente de impulso tan mlnimo como sea posible y los recursos en aportacion variable de energla y, si esta disponible, un grupo de unidades complementarias de almacenamiento de energla, este grupo esta desde luego idealmente desacoplado por una aportacion simultanea del proveedor.

A tltulo de ejemplo muy ventajoso, el grupo de unidades complementarias de almacenamiento de energla puede comprender un numero adaptable de unidades de almacenamiento instaladas a bordo de los vehlculos en parada o hasta aparcados en una zona de garaje / mantenimiento / reparto, en particular a horas de poca actividad de circulacion. Estas unidades "pasivas con respecto al trafico" permiten as! abastecer por lo menos una contribution para la aportacion variable de energla (contra las crestas de potencia) requerida a la red de transporte publico "activa" (via los carriles / catenarias).

Dicho algoritmo de dimensionamiento sigue idealmente una logica de minimization del pico de potencia procedente de la red electrica en el suelo mediante la compensation de dichos picos por las aportaciones variables energeticas distribuidas por lo menos por una unidad de almacenamiento de energla, en particular en el momento de puesta en marcha de los vehlculos. Segun este principio, el algoritmo de dimensionamiento sigue una logica de minimizacion del valor medio de la corriente de impulso, por lo menos para mantener dicho valor igual o inferior a un umbral objetivo de consumo energetico concedido por un distribuidor de la red electrica en el suelo. Cuanto mas detecte el algoritmo las fuentes susceptibles de contribuir a maximizar la aportacion variable, mas conseguira minimizar ventajosamente el umbral objetivo del valor medio de la corriente de impulso sujeto a una o varias crestas de potencia subitas. Por ultimo, la invencion preve un ordenador para la puesta en funcionamiento del metodo que comprende un modulo de determination de la corriente de impulso alrededor de un valor medio impuesto por la red

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electrica en el suelo y un modulo de control de las variaciones impuestas en los niveles de almacenamiento y de suministro de energla de por lo menos una unidad de almacenamiento de energla con el fin de poder regular la aportacion variable potencialmente disponible contra una prevision de la cresta de potencia esperada. Este ordenador es un soporte ideal para ejecutar el algoritmo de dimensionamiento anteriormente mencionado que lleva a la compensation de las crestas de potencia requeridas limitando el impulso de corriente a un valor umbral aceptable.

Es posible prever que el modulo de determination y el modulo de control estan instalados a bordo, en particular en aplicaciones de transporte publico cuyos vehlculos disponen de medios de comunicaciones apropiados y que interaction entre ellos y/o via una red de comunicacion en el suelo. Asl, un grupo de vehlculo de una llnea de metro que tiene un recurso disponible de energla instalado a bordo puede asl responder a la aportacion variable util durante un impulso de corriente de uno de los vehlculos. Durante perlodos libres de crestas frecuentes de potencia, dichos vehlculos tratan de recargar (autonomamente o desde la red proveedora en relation con el consumo maximo autorizado) su unidad de almacenamiento instalada a bordo con el fin de poder prever un proximo impulso de corriente sujeto a cresta. Para sacar provecho de todo recurso disponible vehlculo / suelo y permitir transmitir los controles de carga / descarga, el ordenador puede ser simplemente conectado a una interfaz de comunicacion entre suelo y vehlculo.

Para la aplicacion del metodo segun la invention, los sistemas de almacenamiento de energla por supercondensadores representan hoy soluciones muy prometedoras, no solo como elementos complementarios a las subestaciones no reversibles, sino tambien como compensadores activos de las caldas de tension, generadoras de puntos de corriente, a los puntos sensibles de las redes de alimentation.

Un primer enfoque para tal sistema es asl disponer, en los lugares sensibles de la llnea (generalmente en trozos de llnea), una subestacion para el almacenamiento energetico, para compensar caldas ohmicas de tension (caracterlsticas de los sistemas de alimentacion a corriente continua) y asegurar una recuperation del frenado electrico de los vehlculos en todos los modos de funcionamiento (tambien en horas de poca actividad). Esta solution tiene asl como principal ventaja la de hacer soportar los picos de corriente a las unidades de almacenamiento del suelo. Resulta entonces un redimensionamiento de la alimentacion al suelo (transformador y rectificador) adaptado a una potencia media. Este tipo de solucion, a pesar de la mejora del rendimiento global de la llnea en particular sobre el frenado electrico, no impide, no obstante, los impulsos de corriente asociados a la aceleracion del vehlculo. Las caldas de tension en las barras de alimentacion de la llnea que le inducen pueden entonces provocar la instalacion de uno o varios dispositivos que integran las unidades de almacenamiento en el suelo con el fin de controlar la tension suministrada por los carriles de distribution en los diferentes puntos sensibles de la llnea.

El segundo enfoque para un sistema de este tipo, que contiene unidades de almacenamiento instaladas a bordo, puede parecer complementario al primer enfoque, pero sin embargo se presenta mas atractivo en muchos aspectos. Por su capacidad de almacenamiento instalado a bordo (almacenamiento "de energla" se sobreentiende), presenta la ventaja de abastecer el complemento energetico inherente a la fase de aceleracion de un tren, por ejemplo de las unidades de metro. Con estas condiciones, los picos de corriente entonces no se sostienen mas por los carriles de distribucion sino por los equipos de gestion de las unidades de almacenamiento instaladas a bordo. Las caldas de tension en los carriles de distribuciones entonces se reducen y la adicion de alimentadores entonces ya no es necesario. Otro aspecto es relativo a la independencia energetica inducida por los equipos de almacenamiento instalados a bordo, lo que no permite el primer enfoque. Cada recurso de almacenamiento instalado a bordo, dedicado a los equipos de traction del vehlculo, abastece entonces la energla complementaria relacionada con cada aceleracion del vehlculo lo que no excluye de ningun modo la posibilidad de abastecer energla a otro vehlculo. En el primer caso (almacenamiento en el suelo), la explotacion de N vehlculos puede ser el origen de un pico de corriente igual a N veces la de un vehlculo, para que los vehlculos esten sincronizados. En el segundo enfoque, los picos de corriente sostenidos por la llnea no existen, cualquiera que sea el numero de vehlculos en llnea (sincronizados o no) lo que es muy ventajoso para el dimensionamiento y las realizaciones del sistema. El dimensionamiento de los equipos del suelo se efectua entonces sobre la base de un consumo medio multiplicado por el numero de vehlculos.

Los dispositivos de almacenamiento instalados a bordo constan de convertidores electricos y proporcionan de hecho, una gran flexibilidad de maniobra. Pueden ser colocadas diferentes estrategias de control con el fin de optimizar el consumo energetico de cada vehlculo y asl suprimir las crestas de potencia toleradas por las instalaciones fijas. En estas condiciones, las perdidas en llnea se reducen considerablemente y no necesitan mas la adicion de alimentadores. Otro aspecto se refiere al mantenimiento de la tension de los carriles de alimentacion que, por la supresion de los picos de corriente, permite obtener un rendimiento mejorado. Todas estas razones conducen a no sobredimensionar mas las instalaciones de abastecimiento de energla. La supresion de las crestas de potencia se apoya en un algoritmo de dimensionamiento y de control de las unidades de almacenamiento instaladas a bordo que, para cada interestacion, imponen una potencia absorbida constante en caso de impulso de corriente. Las unidades de almacenamiento instaladas a bordo proveen desde entonces al complemento energetico (aportacion variable regulada) con el fin de satisfacer las fases de funcionamiento relativas al recorrido del vehlculo (aceleracion, etapa de velocidad y desaceleracion) y que requieren una potencia instantanea fluctuante.

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Ejemplos de realizacion y de aplicacion se proporcionan con la ayuda de las figuras:

Figuras 1A, 1B Ejemplos de cresta de potencia del estado de la tecnica,

Figuras 2A, 2B, 2C, 2D Ejemplos de puesta en funcionamiento del metodo segun la invention.

La figura 1A representa un perfil de corriente I (A) requerido y absorbido por un vehlculo que se desplaza con arreglo al tiempo t (s). La figura 1B representa un perfil asociado de velocidad V (m/s) de dicho vehlculo en funcion del tiempo t (s). El metodo segun la invencion no ha sido aplicado sobre estas dos simulaciones.

Los resultados de estas dos simulaciones muestran bien el impulso de corriente que debe librar una subestacion

(Fig. 1.a). Este impulso existe durante toda la fase de aceleracion del vehlculo (principalmente en la puesta en

marcha del vehlculo entre t=0s y t=40s). Los equipos de aportacion energetica de subestaciones deben ser dimensionados para soportar este tipo de sobrecarga sabiendo que varios vehlculos pueden arrancar al mismo tiempo. Este impulso de corriente es por otro lado nefasta para la calidad de la distribution de energla, porque induce a caldas de tension en las barras de distribucion. En conclusion, los impulsos de corriente necesitan un sobredimensionamiento de las instalaciones (subestaciones) as! como la colocation de eventuales alimentadores cuando las caldas de tension en las barras de distribucion son demasiado altas. Estos dos aspectos aumentan de esta manera los costes de instalacion y de gestion de una llnea de transporte publico.

La figura 2A representa un perfil de corriente I (A) requerido y absorbido por el mismo vehlculo que se desplaza con arreglo al tiempo t (s). La figura 1B representa un perfil asociado de velocidad V (m/s) de dicho vehlculo en funcion del tiempo t (s). El metodo segun la invencion ha sido aplicado a este conjunto de nuevas simulaciones. Para ilustrarlo, la figura 2C representa la contribution en forma de aportacion variable de energla (adicionalmente al valor medio constante - aproximadamente 385 A - de la figura 2A) que proviene de la unidad de almacenamiento de energla (aqul instalada a bordo como un supercondensador). Hay que recordar, que una corriente negativa significa el abastecimiento de energla de la unidad de almacenamiento instalada a bordo (entre t= 18 y 40s); una corriente positiva prueba la carga de las unidades de almacenamiento instaladas a bordo (entre t=0 y 18s y entre t=60 y 70s).

La simulation muestra que la corriente suministrada por los carriles de alimentation (Fig.2A) es, al regimen transitorio, constante (385 A). Se proporcionan las necesidades relacionadas con la propulsion del vehlculo (Fig. 2B), en complemento de las suministradas por los carriles (red proveedora), por las unidades de almacenamiento instaladas a bordo (Fig.2C). La aceleracion (puesta en marcha) del vehlculo se acompana de un impulso de corriente que, esta vez, es sostenida por las unidades de almacenamiento instaladas a bordo (Fig.2C, entra t=18 y 40s). Del algoritmo de calculo que impone un impulso de corriente de ajuste al valor medio fijo absorbido por el vehlculo (corriente carriles / proveedor), se deduce una corriente aditiva variable sostenida por las unidades de almacenamiento instaladas a bordo. En estas condiciones, el dimensionamiento de las subestaciones no necesitan mas tomar en consideration el impulso de corriente (corriente constante en los carriles). Del mismo modo, la instalacion eventual de alimentadores no es mas necesaria para el buen funcionamiento del sistema. La Figura 1D representa por fin una tension ("scaps") de una unidad de almacenamiento instalada a bordo que abastece la aportacion variable de energla.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Metodo de ajuste de potencia absorbido por al menos un vehlcuio alimentado por al menos:

- una unidad de almacenamiento de energla electrica,

- una red electrica en el suelo que proporciona al vehlculo por lo menos una corriente de impulso necesaria para poner en marcha el vehlculo, caracterizada porque,

- la unidad de almacenamiento de energla electrica esta instalada a bordo de por lo menos dicho vehlculo,

- antes y por lo menos durante la puesta en marcha del vehlculo, la corriente de impulso se ajusta a un valor medio constante y las variaciones de dicha corriente de impulso alrededor del valor medio son mantenidas mlnimas pidiendo por lo menos una aportacion variable de compensation de energla de la unidad de almacenamiento de energla de dicho vehlculo.
2. Metodo segun la reivindicacion 1, por el que la unidad de almacenamiento de energla suministra energla desde una estructura en el suelo hacia el vehlculo.
3. Metodo segun una de las reivindicaciones precedentes, por el que la unidad de almacenamiento de energla es recargable por la recuperation de energla que proviene por lo menos de una de las fuentes siguientes:

- del vehlculo, idealmente durante su frenado;

- de la red electrica en el suelo, fuera de una fase de puesta en marcha del vehlculo.
4. Metodo segun una de las reivindicaciones precedentes, por el que la unidad de almacenamiento de energla almacena y suministra energla por medio de un elemento capacitivo de fuerte potencia como por lo menos un supercondensador.
5. Metodo segun una de las reivindicaciones precedentes, por el que la unidad de almacenamiento de energla es controlado por un algoritmo de dimensionamiento de la necesidad energetica, tomando en consideration un esquema del trafico de una pluralidad de vehlculos, el valor medio de la corriente de impulso y, si esta disponible, un grupo de unidades complementarias de almacenamiento de energla.
6. Metodo segun la reivindicacion 5, por el que el grupo de unidades complementarias de almacenamiento de energla comprende un numero adaptable de unidades de almacenamiento instaladas a bordo de vehlculos que estan parados o aparcados en una zona de garaje, en particular en horas de poca actividad de circulation.
7. Metodo segun la reivindicacion 5 o 6, por el que el algoritmo de dimensionamiento sigue una logica de minimization del pico de potencia procedente de la red electrica en el suelo, mediante la compensacion de dichos picos por aportaciones energeticas distribuidas por al menos una unidad de almacenamiento de energla, en particular durante la puesta en marcha del vehlculo.
8. Metodo segun la reivindicacion 5 o 6, por el que el algoritmo de dimensionamiento sigue una logica para minimizar el valor medio de la corriente de impulso, por lo menos para mantener dicho valor igual o inferior a un umbral objetivo del consumo energetico concedido por un distribuidor de la red electrica en el suelo.
9. Ordenador para la puesta en funcionamiento del metodo segun una de las reivindicaciones precedentes, que comprende un modulo para la determination de la corriente de impulso alrededor de un valor medio impuesto por la red electrica en el suelo y un modulo para el control de las variaciones impuestas en los niveles de almacenamiento y de suministro de energla de al menos una unidad de almacenamiento de energla.
10. Ordenador segun la reivindicacion 9, por el que el modulo de determinacion y el modulo de control estan instalados a bordo.
11. Ordenador segun la reivindicacion 9 o 10, conectado a una interfaz de comunicacion entre el suelo y el vehlculo.