ES2774171B2 - Sistema de regulacion para una central hidroelectrica de bombeo y central hidroelectrica que lo comprende - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE REGULACIÓN PARA UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE BOMBEO Y CENTRAL HIDROELÉCTRICA QUE LO COMPRENDE
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo de las centrales hidroeléctricas. En particular, se refiere a un sistema con capacidad de regulación que integra con flexibilidad energías renovables para suministro eléctrico.
Estado de la Técnica
Las centrales hidroeléctricas aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee una masa de agua en virtud de un desnivel para transformarla en energía eléctrica. Se hace pasar el agua en su caída por una turbina hidráulica que transmite energía a una máquina eléctrica donde se transforma en energía eléctrica.
Un tipo de central hidroeléctrica es la denominada reversible o de bombeo. Se trata de una central hidroeléctrica que además de capacidad para transformar la energía potencial del agua en electricidad turbinando agua del embalse superior al inferior, también dispone de la capacidad inversa, es decir, aumentar la energía potencial del agua bombeándola al embalse superior. Habitualmente, para ello eleva agua a un embalse consumiendo energía eléctrica en horas valle (poca demanda) o en horas con exceso de producción renovable, principalmente eólica y fotovoltaica. Así almacena energía para satisfacer la demanda energética en horas pico (alta demanda) o en horas con poca producción renovable.
Tradicionalmente las centrales de bombeo se componen de grupos síncronos conectados directamente a la red de evacuación, lo que no permite el control de la potencia activa y por ende el control de frecuencia del sistema que está conectado en modo bombeo. Sin embargo, se han usado distintas tecnologías buscando dotar de cierta flexibilidad a centrales hidroeléctricas de bombeo. Hasta el momento, estas tecnologías son:
• Grupos ternarios: Son grupos constituidos por tres máquinas: máquina eléctrica, turbina y bomba. Estos grupos requieren largos ejes que demandan cavernas con elevadas dimensiones, volúmenes, sistemas mecánicos de acoplamiento muy complejos y con elevados costes de inversión y mantenimiento. Por caverna, se entiende el espacio horadado en el terreno para albergar la sala del equipamiento de la central.
• Grupos binarios con máquinas asíncronas doblemente alimentadas: Son grupos formados por una turbina reversible y una máquina eléctrica asíncrona doblemente alimentada, a la que en el rotor se le inyecta una corriente senoidal de frecuencia diferente de la del sistema eléctrico para conseguir aumentar su capacidad de regulación de la potencia activa y reactiva. Aportan una limitada flexibilidad para regulación de potencia activa en modo turbinación, y nula flexibilidad para regulación de potencia activa en modo bombeo. Como sistema eléctrico, se entiende al conjunto de elementos eléctricos tales como generadores, líneas eléctricas, transfomadores, cargas,... conectados eléctricamente entre sí, habitualmente formando una red, para suministrar, transferir y usar la energía eléctrica.
• Centrales con gran número de grupos y que disponen de varios circuitos hidráulicos independientes para los modos de turbinación y bombeo: La central se dota de flexibilidad mediante la instalación de mayor número de grupos de menor tamaño y circuitos hidráulicos independientes para el bombeo y para la turbinación. La capacidad de regulación queda limitada al número, potencia máxima y potencia mínima de funcionamiento de los grupos empleados, además la necesidad de dos circuitos hidraúlicos independientes y elevado número de grupos requiere mayores costes.
Breve descripción de la invención
La presente propuesta se ha desarrollado a la vista de las limitaciones del estado de la técnica para conseguir una central de almacenamiento hidroeléctrico de alta potencia y elevada capacidad de almacenamiento de energía con gran flexibilidad y capacidad para integrar de forma fiable fuentes de generación renovable no gestionable.
En especial, la invención es aplicable en sistemas eléctricos débiles. Por sistema eléctrico débil se entiende aquel sistema con baja inercia y baja potencia de
cortocircuito en sus nudos, en los que las perturbaciones, como desequilibrios bruscos de potencia activa, variaciones bruscas de la potencia reactiva o faltas, tienen gran influencia en la tensión, frecuencia y en la estabilidad del sistema. Ésto, en situaciones particulares, puede comprometer la continuidad del suministro eléctrico. La estabilidad de un sistema de potencia se define como la capacidad de dicho sistema de permanecer en un estado de funcionamiento aceptable, equilibrado y estable en condiciones normales de operación, y de volver a otro estado de funcionamiento aceptable, equilibrado y estable después de sufrir una o varias perturbaciones.
Suelen ser débiles los sistemas eléctricos aislados que no están conectados con otros sistemas eléctricos externos, por no contar con el apoyo que estos sistemas externos prestan a la seguridad del sistema, especialmente ante perturbaciones. Sistemas particularmente críticos son aquéllos con una participación en la cobertura de la demanda elevada por parte de la generación renovable no gestionable y baja por parte de la generación síncrona tradicional.
Esta invección se lleva a cabo con la combinación, coordinación y control de:
• Máquinas hidroeléctricas reversibles,
• Convertidores electrónicos de potencia con capacidad de regulación de la frecuencia de funcionamiento de las máquinas hidroeléctricas reversibles y también con capacidad de regulación de potencia reactiva. Los convertidores cuentan con una programación de su sistema de control para dotar de la flexibilidad y funcionalidad para la integración de forma fiable de fuentes de generación renovable.
• Conexiones eléctricas que permiten el funcionamiento de las máquinas hidroeléctricas reversibles directamente conectadas a la red o bien a través de los convertidores electrónicos de potencia.
• Distribuidores que permiten el cortocircuito hidráulico y el funcionamiento simultáneo en la misma central de grupos hidoeléctricos reversibles de velocidad variable bombeando y otros turbinando.
• Módulo de control integrado para el control de los elementos del sistema.
La presente propuesta dota a las centrales hidroeléctricas de bombeo de las siguientes funcionalidades:
La combinación de máquinas hidroeléctricas reversibles y convertidores electrónicos de potencia proporciona capacidad de regulación de potencia activa a los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable, aunque no impide que tengan rangos de potencia activa en los que no pueden trabajar de forma permanente. Los bifurcadores permiten disponer de cortocircuito hidráulico y permiten trabajar simultáneamente a un grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable en modo turbinación y a otro en modo bombeo. Con ello se proporciona a la central de capacidad total de regulación de frecuencia en todo su rango de potencia activa, tanto en modo turbinación como en modo bombeo. Esto permite compensar la fluctuación de potencia activa de las fuentes de generación renovable no gestionables, reduciendo o evitando bandas de potencia no operables. Por banda de potencia no operable se entiende aquellos rangos de potencia en los que no es posible el funcionamiento de la generación renovable por restricciones en su integración en el sistema, que conducen a desaprovechar el recurso energético primario.
El funcionamiento conjunto de los convertidores electrónicos de potencia y de las máquinas hidroeléctricas reversibles permite un arranque a velocidad variable para disponer de capacidad de arranque y parada con escalones suaves de potencia. De esta manera, se evitan saltos de potencia que puedan afectar a la estabilidad de frecuencia del sistema eléctrico débil.
Aumenta la estabilidad de los sistemas eléctricos débiles proporcionando inercia natural o sintética y control de frecuencia y tensión. Por inercia sintética se entiende la capacidad de modificar artificialmente el comportamiento inercial de las máquinas hidroleléctricas reversibles mediante la variación de la frecuencia eléctrica en el lado de las máquinas a través delos convertidores electrónicos de potencia de una forma programada.
Las conexiones eléctricas de los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable permiten a las máquinas hidroeléctricas reversibles conectarse directamente a la red, aprovechando las capacidades que pueden aportar al sistema funcionando en sincronismo, o a través de los convertidores electrónicos de potencia, principalmente para proporcionar regulación de frecuencia en modo bombeo.
• Los convertidores electrónicos de potencia pueden funcionar en modo STATCOM, proporcionando control de tensión mediante la gestión de potencia reactiva con las máquinas hidroeléctricas reversibles paradas.
• Las máquinas hidroeléctricas reversibles pueden funcionar sin trasiego de agua como compensador síncrono para proporcionar inercia y control de potencia reactiva.
• El sistema dispondrá de un módulo de control integrado que podrá recibir consignas globales a nivel de planta (de potencia activa, reservas, rampas, tensión, etc.) y repartirlas automáticamente entre los grupos. Este módulo de control integrado, también permitirá la variación rápida de potencia ante eventos previamente definidos, como cambios de topología o contingencias en la red.
Estas y otras ventajas se consiguen mediante las características técnicas de la reivindicación independiente que define un sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo. Realizaciones particulares se definen en las reivindicaciones dependientes. Por ejemplo, que el sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo incluya una máquina hidroeléctrica reversible capaz de establecer intervalos de arranque y de parada de forma que la variación de frecuencia permaneza dentro en un rango de valores límite.
Breve descripción de las figuras
FIG. 1: Esquema unifilar general de un grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable.
FIG 2: Esquema de los bifurcadores con cortocircuito hidráulico.
FIG. 3: Esquema de dos distribuidores.
FIG. 4: Esquema de una central hidroeléctrica de regulación.
FIG. 5: Esquema de tareas del módulo de control integrado.
Referencias numéricas:
1 Transformador elevador.
2 Conexiones eléctricas.
3 Máquina hidroeléctrica reversible.
4 Convertidor electrónico de potencia.
10 Grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable.
20a Distribuidor de alta presión.
20b Distribuidor de baja presión.
21a Bifurcador de alta presión.
21b Bifurcador de baja presión.
31 Máquina eléctrica síncrona.
32 Turbina reversible.
40 Módulo de control integrado.
51 Control de planta
52 Control de grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable
53 Control de máquina eléctrica síncrona
54 Control de turbina reversible
55 Control de convertidor electrónico de potencia
56 Control de conexiones eléctricas
Descripción detallada de la invención
Con referencia a las figuras anteriores, se describen varios aspectos y modos de realización de la invención para un mejor entendimiento de la misma.
La FIG. 1 muestra el esquema unifilar de un grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable 10 que se compone de la máquina hidroeléctrica reversible 3 formado por la máquina eléctrica síncrona 31 y la turbina reversible 32, un convertidor electrónico de potencia 4 que permite variar la velocidad de rotación de la máquina hidroeléctrica reversible 3, al mismo tiempo que es capaz de regular potencia reactiva, un transformador elevador 1 cuya misión es transformar la potencia desde la tensión de generación hasta la tensión de evacuación, conexiones electricas 2, que permiten la conexión de la máquina hidroeléctrica reversible bien a través del convertidor electrónico de potencia 4 o bien directamente. Una central hidroeléctrica de bombeo para la integración de energías renovables dispondría de varios grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10.
Los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10 tienen capacidad de funcionar en modo turbinación y bombeo. El modo turbinación se refiere a la
generación de potencia eléctrica mediante la turbinación de agua, el modo bombeo a almacenar energía subiendo agua a un embalse superior consumiendo energía eléctrica del sistema eléctrico. Además, estos grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable tienen capacidad de funcionamiento en modo compensador síncrono, funcionando sin trasiego de agua a través de la turbina reversible para proporcionar inercia y control de potencia reactiva al sistema eléctrico.
La FIG. 2 muestra el diseño del bifurcador del distribuidor con capacidad de cortocircuito hidráulico en alta 21a y baja presión 21b de dos grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10. Una central con más grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10 requiere un distribuidor (FIG. 3) también con capacidad de cortocircuito hidráulico con un mayor numero de bifurcadores 21a, 21b .
Se entiende por distribuidor 20a, 20b a las conducciones para la división del circuito hidráulico principal de la central en varias ramas que alimentan cada una de las turbinas reversibles 32 de los grupos hidráulicos reversibles de velocidad variable 10.
En la FIG. 3 se muestran dos ejemplos de distribuidor 20a, 20b; un distribuidor de alta presión 20a compuesto por tres bifurcadores de alta presión 21a y un distribuidor de baja presión 20b compuesto por tres bifurcadores de baja presión 21b.
En la FIG. 4 se muestra de forma esquemática una central hidroeléctrica de regulación donde se aprecian varios de sus componentes. En concreto, un transformador elevador 1, una máquina hidroeléctrica reversible 3 con el bifurcador de alta presión 21a, un convertidor electrónico de potencia 4 con un bifurcador de baja presión 21b.
La FIG. 5 muestra jerárquicamente las tareas de control del modulo de control integrado. Como se puede ver, en un nivel superior se encuentra el control de planta 51 que depende de las instrucciones de control de grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable 52. A su vez, cada instrucción de control de grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable 52 se divide en instrucciones de control de máquina eléctrica síncrona 53, instrucciones de control de turbina reversible 54, instrucciones de control de convertidor electrónico de potencia 55, instrucciones de control de conexiones eléctricas 56.
El sistema de regulación para centrales hidroeléctricas de bombeo permite el funcionamiento integrado y coordinado de los grupos hidroeléctricos reversibles a velocidad variable 10 y está compuesto preferiblemente por:
• Grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10, a su vez compuestos por:
o Máquinas hidroeléctricas reversibles 3, formadas por máquinas eléctricas síncronas 31 y turbinas reversibles 32 con capacidad de funcionamiento en modo turbinación, en modo bombeo y en modo compensador síncrono.
o Convertidores electrónicos de potencia 4 con capacidad de ser “bypasseados”, esto es, las conexiones eléctricas 2 permite que los grupos funcionen a velocidad fija o variable y tener inercia natural o sintética. Con ello:
■ Maximizar el rango de regulación de potencia activa tanto en modo turbinación como en modo bombeo.
■ Disponer de la capacidad de que los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10 funcionen directamente acoplados a la red, dotando al sistema de inercia natural.
■ Disponer de la capacidad de funcionar aislados en modo STATCOM cuando la máquina hidroeléctrica reversible no se encuentre disponible.
o Transformador elevedor 1 para transforma la potencia desde la tensión generación a la de la red.
• Distribuidor 20a, 20b: permite el funcionamiento de los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10 en modo cortocircuito hidráulico, es decir, capacidad de funcionamiento simultáneo de algunos grupos 10 en modo turbinación y otros grupos 10 en modo bombeo. Esto permite a la central operar en un rango continuo de potencia activa desde el nivel de máximo en modo bombeo al nivel máximo en turbinación, con un incremento de rendimiento al minorar las pérdidas de carga del circuito hidráulico y al no tener que poner en uso la totalidad del circuito.
• Módulo de control integrado 40 coordina el control de planta 51, con el control de los grupos hidroeléctricos reversibles a velocidad variable 52, con el control de los convertidores de electrónicos de potencia 55 que controla la frecuencia
de giro de las máquinas hidroeléctricas reversibles 3 y potencia reactiva generada por los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable, con el control de las conexiones eléctricas 56, que controla las conexiones eléctricas 2 para by-passear los convertidores electrónicos de potencia, con el control de la turbina reversible 54 que permite variar el flujo de agua por la turbina reversible 32 y con el control de la máquina eléctrica síncrona 31 que controla los reguladores de tensión de las máquinas hidroeléctricas reversibles 3. La principal función del módulo de control integrado 40 es el reparto eficiente de las consignas globales recibidas a nivel de planta (de potencia activa, reservas, rampas, tensión, etc.) entre los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable 10 de la central , con el objeto de:
o Atenuar transitorios hidráulicos.
o Contribuir a la regulación potencia-frecuencia para mejorar la respuesta en frecuencia del sistema.
o Apoyar al control dinámico de la tensión ante huecos de tensión y otras perturbaciones.
o Aportar siempre inercia, ya sea natural o emulada (inercia sintética).
o Controlar la potencia reactiva de forma independiente a la potencia activa para contribuir al control de tensión del punto de conexión.
o Realizar arranques suaves de las máquinas hidroeléctricas reversibles.
o Amortiguación de oscilaciones interárea.
o Conmutación rápida desde el modo bombeo al modo turbinación.
El diseño descrito anteriormente permite el funcionamiento óptimo de una central hidroeléctrica reversible con alta capacidad de regulación de potencia activa, tanto en el sentido de inyección como en absorción de potencia activa, que permite dotar al sistema de gran flexibilidad para el control continuo de la potencia activa, así como a un aporte amplio de reserva de regulación.
Comparando la solución propuesta respecto a las tecnologías empleadas hasta la actualidad, esta novedosa propuesta presenta las siguientes ventajas:
• Respecto a los sistemas ternarios, la solución presenta la ventaja de disminución de los espacios requeridos dentro de la caverna y menores costes.
• Respecto a centrales con máquinas asíncronas doblemente alimentadas, esta solución aumenta la flexibilidad permitiendo la capacidad de regulación de
potencia también en modo bombeo, y dota de la posibilidad de arranques y paradas suaves que eviten variaciones de frecuencia no deseadas.
Respecto a la solución de elevado número de grupos con circuitos hidráulicos independientes para turbinación y bombeo, proporciona mayor flexibilidad con un único circuito hidráulico, lo cual constituye una solución más construible, con menor impacto ambiental y más económica.
Claims (7)
1. Sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo que comprende:
- una pluralidad de grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable (10), donde cada grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable (10) comprende al menos:
- una máquina hidroeléctrica reversible (3) que comprende una máquina eléctrica síncrona (31) y una turbina reversible (32);
- un transformador elevador (1) configurado para transformar la potencia desde la tensión de generación hasta la tensión de evacuación; y
- un convertidor electrónico de potencia (4), donde el convertidor electrónico de potencia (4) está configurado para regular potencia reactiva y para variar la velocidad de rotación de al menos un grupo hidroeléctrico reversible de velocidad variable (10);
- una pluralidad de conexiones eléctricas (2) configuradas para permitir el funcionamiento de las máquinas hidroeléctricas reversibles directamente conectadas a la red o bien a través de los convertidores electrónicos de potencia (4);
- un distribuidor de alta presión (20a) y un distribuidor de baja presión (20b), donde ambos distribuidores (20a,20b) comprenden conducciones para las turbinas reversibles (32) de los grupos hidráulicos reversibles de velocidad variable (10), donde ambos distribuidores están configurados para cortocircuitar hidráulicamente los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable (10) y para permitir el funcionamiento simultáneo de al menos un grupo hidroeléctrico reversible (10) turbinando y al menos un grupo hidroeléctrico reversible (10) bombeando agua;
- un módulo de control integrado (40) configurado para coordinar, en cada grupo hidráulico reversible de velocidad variable (10), el convertidor electrónico de potencia (4), las conexiones eléctricas (2), la turbina reversible (32) y la máquina eléctrica síncrona (31).
2. Sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo según la reivindicación 1, donde la máquina hidroeléctrica reversible (3) está configurada para establecer intervalos de arranque y de parada de forma que la variación de frecuencia permaneza dentro en un rango de valores límite.
3. Sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo según la reivindicación 1 o 2, donde el módulo de control integrado (40) está configurado para distribuir una pluralidad de consignas recibidas entre los grupos hidroeléctricos reversibles de velocidad variable (10) de la central.
4. Sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo según la reivindicación 3, donde la pluralidad de consignas incluye al menos una de las siguientes: potencia activa, reservas, rampas, tensión.
5. Sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el módulo de control integrado (40) está configurado para atenuar transitorios hidráulicos.
6. Sistema de regulación para la integración de energías renovables en una central hidroeléctrica de bombeo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el módulo de control integrado (40) está configurado para regular la potencia reactiva de forma independiente a la potencia activa, para controlar la tensión del punto de conexión.
7. Central hidroeléctrica de bombeo que comprende un sistema de regulación según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6.
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| BA2A | Patent application published |
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