ES2873074T3 - Método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador que comprende un motor térmico acoplado a un generador eléctrico - Google Patents
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Abstract
Método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador que comprende un motor térmico (2) acoplado a un generador eléctrico (3), donde el conjunto generador (1) tiene una pluralidad de posibles puntos de operación, comprendiendo cada punto de operación una velocidad angular del motor térmico (2), un par del generador eléctrico (3) y una potencia de salida del conjunto generador (1), que comprende los siguientes pasos: - obtención de todas las posibles combinaciones de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) para cada potencia de salida del conjunto generador (1), - cálculo de la eficiencia del conjunto generador (1) en cada una de dichas combinaciones de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) teniendo en cuenta la eficiencia del motor térmico (2) y la eficiencia del generador eléctrico (3) en cada uno de dichos puntos posibles de operación del conjunto generador (1), y caracterizado porque comprende los siguientes pasos: - selección de la combinación óptima de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) para cada potencia de salida del conjunto generador (1) de modo que sea máxima la eficiencia del conjunto generador (1) en cada uno de los puntos de operación seleccionados, calculando dicha eficiencia como la suma de la eficiencia del conjunto generador (1) calculada en el paso anterior para cada posible punto de operación del conjunto generador (1), y la eficiencia de la transición a la velocidad angular del motor térmico (2) en dicho punto de operación desde la velocidad angular del motor térmico (2) en el punto de operación previamente seleccionado para la potencia inmediatamente anterior de dicho conjunto generador (1), y - almacenamiento de dicha combinación óptima de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) para cada potencia de salida del conjunto generador (1) en un medio de almacenamiento de información.
Description
DESCRIPCIÓN
Método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador que comprende un motor térmico acoplado a un generador eléctrico
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se relaciona con conjuntos generadores de potencia que comprenden un motor térmico acoplado a un generador eléctrico, más concretamente con los métodos para la obtención y el almacenamiento de los puntos óptimos de operación de dichos conjuntos generadores.
ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA
Son conocidos métodos de obtención de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador que comprende un motor térmico acoplado a un generador eléctrico. WO2008000071A1 describe un aparato de selección de condiciones de funcionamiento de un conjunto generador de este tipo en el que dicha selección de condiciones de funcionamiento se realiza de modo que se minimice una suma de valores de coste asociados con los puntos de funcionamiento de dicho conjunto, y de modo que la velocidad del motor térmico se incremente o disminuya monótonamente con incrementos o disminuciones monótonas de los valores de salida de potencia eléctrica.
US6167339A describe un sistema de propulsión para un vehículo que comprende un motor de combustión interna, una transmisión con relación de transmisión variable entre el motor y las ruedas motrices, al menos un sistema auxiliar accionado por el motor de combustión interna, especialmente un generador eléctrico, y un controlador. El controlador selecciona la relación de transmisión dentro de un rango de relaciones potenciales para lograr la máxima eficiencia global teniendo en cuenta las eficiencias operativas individuales del motor y el sistema auxiliar.
EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es el de proporcionar un método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador, según se define en las reivindicaciones.
Dicho conjunto generador comprende un motor térmico acoplado a un generador eléctrico, y tiene una pluralidad de posibles puntos de operación, comprendiendo cada punto de operación una velocidad angular del motor térmico, un par del generador eléctrico y una potencia de salida del conjunto generador.
El método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador de la invención comprende cuatro pasos.
En el primero de los pasos se obtienen todas las posibles combinaciones de velocidad angular del motor térmico y par del generador eléctrico para cada potencia de salida del conjunto generador.
A continuación, en el segundo de los pasos, se calcula la eficiencia del conjunto generador en cada una de dichas combinaciones de velocidad angular del motor térmico y par del generador eléctrico teniendo en cuenta la eficiencia del motor térmico y la eficiencia del generador eléctrico en cada uno de dichos puntos posibles de operación del conjunto generador.
A continuación, se selecciona la combinación óptima de velocidad angular del motor térmico y par del generador eléctrico para cada potencia de salida del conjunto generador de modo que sea máxima la eficiencia del conjunto generador en cada uno de los puntos de operación seleccionados. Dicha eficiencia se calcula como la suma de la eficiencia del conjunto generador calculada en el paso anterior para cada posible punto de operación del conjunto generador, y la eficiencia de la transición a la velocidad angular del motor térmico en dicho punto de operación desde la velocidad angular del motor térmico en el punto de operación previamente seleccionado para la potencia inmediatamente anterior de dicho conjunto generador.
Finalmente, dicha combinación óptima de velocidad angular del motor térmico y par del generador eléctrico para cada potencia de salida del conjunto generador se almacena en un medio de almacenamiento de información.
El método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador de la invención permite definir los puntos de operación de máxima eficiencia del conjunto generador en todo el rango de potencia en el que opera dicho conjunto generador, lo cual permite disminuir las emisiones y el consumo de combustible asociados al motor térmico de dicho conjunto generador.
Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra un esquema de un vehículo híbrido con una configuración en serie en la que todos los elementos están conectados a un bus DC y en el que se puede aplicar el método de la invención.
La figura 2 muestra un esquema de una microrred integrada por un conjunto generador, una o varias fuentes de energía renovable, un sistema de almacenamiento de energía, y cargas, en el que se puede aplicar el método de la invención.
La figura 3 muestra un ejemplo esquemático de los rangos de potencia de salida del conjunto generador en cada una de las velocidades angulares en las que puede operar el motor térmico.
Las figuras 4A y 4B muestran el diagrama de flujo de una realización del método de la invención.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El método de la invención permite obtener y almacenar de forma analítica los puntos óptimos de operación de un conjunto generador 1, también denominado genset, que comprende un motor térmico 2 acoplado a un generador eléctrico 3.
El motor térmico 2 del conjunto generador 1 podría ser un motor de combustión interna. Dicho motor térmico 2 está conectado mecánicamente al generador eléctrico 3, pudiendo estar ambos conectados tanto directamente como mediante un reductor 11. La función del conjunto generador 1 en el que se puede aplicar el método de la invención es la generación de energía eléctrica tanto en aplicaciones de movilidad como en aplicaciones estacionarias.
Un posible escenario para una aplicación de movilidad de un conjunto generador 1 sería un vehículo híbrido 20, tal y como se muestra en la figura 1. En dicho escenario, el conjunto generador 1 junto con un sistema de almacenamiento de energía 12 (por ejemplo baterías), proveen energía al tren de tracción del vehículo híbrido 20. Cuando dicho tren de tracción presenta una configuración en serie, tanto las fuentes de energía (motor térmico 2, generador eléctrico 3 y sistema de almacenamiento de energía 12) como las cargas 13 auxiliares se conectan a un bus 14 de corriente directa (DC) por medio de convertidores 15 de potencia (DC/DC o AC/DC). El motor térmico 2 se acopla mecánicamente al generador eléctrico 3 y a un convertidor 15 AC/DC para conectarse al bus 14 DC. El elemento principal de tracción son uno o varios motores eléctricos 16 que se conectan a través de un convertidor 15 AC/DC al bus 14 DC y mecánicamente al sistema de transmisión 17 que finalmente mueve el vehículo híbrido 20. Los escenarios donde se aplica este tipo de configuración son principalmente de tipo urbano, caracterizados por operar a bajas velocidades, continuos arranques y paradas, y con restricciones sobre emisiones y consumo de combustible, situaciones en las que esta configuración presenta un mayor rendimiento frente a otras topologías.
En cuanto a las aplicaciones estacionarias, un posible escenario sería la generación de energía eléctrica para microrredes 30, tal y como se muestra en la figura 2. En este escenario, la función del conjunto generador 1 sería la de proporcionar toda la energía demandada por las cargas 13 dentro de la microrred 30, o la de brindar apoyo en caso de microrredes 30 que incluyan sistemas de energías renovables 18 (tales como paneles solares o generadores eólicos). En este escenario, el tipo de convertidor 15 de potencia localizado entre el generador eléctrico 3 y la microrred 30 depende del bus 14 instalado en dicha microrred 30 (AC o DC).
En ambos escenarios, tanto la velocidad de giro del motor térmico 2 como el par proporcionado por el generador eléctrico 3 son totalmente independientes de la velocidad y par requeridas por la transmisión 17 durante el movimiento del vehículo híbrido 20 (en el caso de la aplicación de movilidad) como de la energía demandada por la microrred 30 (en el caso de la aplicación estacionaria). De esta forma, la operación y potencia requerida al conjunto generador 1 puede ser controlada de forma independiente, ofreciendo un grado de libertad importante para la óptima y más eficiente operación del conjunto generador 1.
El conjunto generador 1 tiene una pluralidad de posibles puntos de operación, comprendiendo cada posible punto de operación una velocidad angular del motor térmico 2, un par del generador eléctrico 3 y una potencia de salida del conjunto generador 1.
El método de la invención comprende los cuatro pasos que se explican a continuación.
En el primer paso se obtienen todas las posibles combinaciones de velocidad angular del motor térmico 2 y par del generador eléctrico 3 para cada potencia de salida del conjunto generador 1.
A continuación, en el segundo paso se calcula la eficiencia del conjunto generador 1 en cada una de dichas combinaciones de velocidad angular del motor térmico 2 y par del generador eléctrico 3 teniendo en cuenta la eficiencia del motor térmico 2 y la eficiencia del generador eléctrico 3 en cada uno de dichos puntos posibles de operación del conjunto generador 1.
A continuación, en el tercer paso, para cada potencia de salida del conjunto generador 1, se selecciona la combinación óptima de velocidad angular del motor térmico 2 y par del generador eléctrico 3 en la que sea máxima la eficiencia del conjunto generador 1. La eficiencia del conjunto generador 1 en cada posible punto de operación se calcula como la suma de la eficiencia del conjunto generador 1 calculada en el paso anterior del método para cada posible punto de operación del conjunto generador 1, y la eficiencia de la transición a la velocidad angular del motor térmico 2 en dicho posible punto de operación desde la velocidad angular del motor térmico 2 en el punto de operación previamente seleccionado para la potencia inmediatamente anterior de dicho conjunto generador 1.
Finalmente, en el cuarto paso, la combinación óptima de velocidad angular del motor térmico 2 y par del generador eléctrico 3 para cada potencia de salida del conjunto generador 1 se almacena en un medio de almacenamiento de información.
El método parte de la información proporcionada en los mapas de eficiencia tanto del motor térmico 2 como del generador eléctrico 3. El mapa de eficiencia del motor térmico 2 es un mapa tridimensional donde el eje X representa la velocidad de rotación del eje del motor térmico 2, el eje Y representa el par producido por dicho motor térmico 2, y el eje Z representa la eficiencia del motor térmico 2 trabajando a dicha velocidad angular y proporcionando dicho par. Para el generador eléctrico 3 existe un mapa de eficiencias análogo, en el que se representa la eficiencia del generador eléctrico 3 para cada valor de velocidad angular y cada valor de par de dicho generador eléctrico 3.
Los fabricantes de motores térmicos 2 y de generadores eléctricos 3 proporcionan estos mapas de eficiencia, aunque los valores de dichos mapas también pueden obtenerse empíricamente.
El mapa de eficiencias del motor térmico 2 muestra el rango de velocidades en las cuales puede operar dicho motor térmico 2. Para cada una de dichas velocidades, el motor térmico 2 es capaz de proporcionar valores de par en un rango que se extiende desde un valor mínimo de par hasta un valor máximo de par, para cada velocidad angular considerada.
El método de la invención considera un conjunto de velocidades angulares discretas a TMi, donde i varía en un rango desde 1 hasta nTM, siendo nTM el número de velocidades discretas que dicho motor térmico 2 es capaz de proporcionar, siendo a TM Í , la velocidad angular mínima a la que el motor térmico 2 puede operar, y a TMn la máxima, de modo que cada velocidad es superior a la anterior en un mismo incremento de velocidad.
En una realización preferente del método de la invención, dicho incremento de velocidad podría ser de 0,1rpm. Sin embargo, este valor para cada incremento de velocidad no pretende ser una limitación de la presente invención, y en otras realizaciones dicho incremento podría tomar otro valor.
Tal y como se ha mencionado anteriormente, para cada velocidad angular a TM_i, el motor térmico 2 es capaz de proporcionar valores de par en un rango que se extiende desde un valor mínimo de par TTMmini, hasta un valor máximo de par TTMmaxi. Estos valores de par mínimo y máximo vienen definidos por restricciones impuestas por el fabricante del motor térmico 2.
De esta forma, el rango de potencia de salida Pg e nset_range_i del conjunto generador 1 para una velocidad de rotación específica (pTm_i del motor térmico 2, está limitada por un valor mínimo de potencia Pg e nset_min_i y un valor máximo de potencia Pg e n se t_max_i, tal y como se observa en la ecuación 1:
1 p genset_mi ■n_i ■ < — 1 p genset_i ■ < — 1 p genset_m ax_i Pgenset_range_i V í £ [1... nTM] (Ecuación 1)
Tomando en cuenta todos los posibles rangos de potencia del conjunto generador 1 (Pgen set_rang e_i V í e [1 - ^ t m ]) incluidos entre la potencia mínima Pgen set_min y la potencia máxima Pgen set_max de salida del conjunto generador 1, es claro que algunos de estos rangos se solapan entre sí, tal y como se muestra en la figura 3. Es decir, el mismo valor de potencia deseado podría encontrarse en más de un rango de potencias, y por lo tanto, a diferentes consignas de velocidad y par del motor térmico 2.
Las figuras 4A y 4B muestran un diagrama de flujo en el que se representan los pasos que comprende una realización preferente del método de la invención. Para poder obtener todas las posibles combinaciones de velocidad angular del motor térmico 2 y par del generador eléctrico 3 del conjunto generador 1, el método parte de un valor de potencia de salida P del conjunto generador 1 igual a la potencia mínima de salida del mismo Pg e n s e t Jn in , tal y como se puede observar en el paso 101 de la figura 4A.
En la figura 4A, en el paso 102, el método asigna un valor 1 a la variable i, y entra en un primer bucle, en el que el valor de i se incrementará en una unidad cada vez que se pase por dicho bucle, recorriendo así todo el conjunto de velocidades angulares discretas wTM_¡. a las que puede operar el motor térmico 2. A continuación, en el paso 103 se comprueba si la potencia P pertenece al rango de potencias entre Pg e n se t m i n j y P g e n se t m a x j , es decir, si el valor de potencia P de salida del conjunto generador 1 que se está analizando pertenece al rango de potencias de salida del conjunto generador 1 cuando éste gira a la velocidad angular wTM_¡. Si dicha potencia perteneciera al rango, en el paso 104 se obtendría el punto de operación correspondiente, es decir, los valores de velocidad (¿TMi y par Ttmj del motor térmico 2 con los que se obtiene dicha potencia de salida del conjunto generador 1. Conociendo dichos valores de velocidad a TM i y par Ttmj del motor térmico 2, y mediante el mapa de eficiencia del motor térmico 2, se obtendrá la eficiencia pTM(Pj) del motor térmico 2 para dicha potencia de salida P del conjunto generador 1, cuando éste gira a velocidad angular wTM_¡.
Una vez conocidos los valores de velocidad angular (¿TM i y par Ttmj del motor térmico 2, los correspondientes valores de velocidad angular a EGl y par TEGl del generador eléctrico 3 serán iguales a los del motor térmico 2, en el caso de que ambos, motor térmico 2 y generador eléctrico 3, se encuentren mecánicamente acoplados y girando ambos a la misma velocidad angular, o se calcularán en función de los valores de velocidad angular y par del motor térmico 2, en el caso en el que exista un dispositivo reductor 11 entre dicho motor térmico 2 y dicho generador eléctrico 3. Conociendo dichos valores de velocidad wBG_¡ y par Teg_ ¡ del generador eléctrico 3, y mediante el mapa de eficiencia de dicho generador eléctrico 3, se obtendrá la eficiencia pEG(P¿) del generador eléctrico 3 para dicha potencia de salida P del conjunto generador 1, cuando el generador eléctrico 3 gira a velocidad angular meg í .
En el paso 105 del diagrama de flujo de la figura 4A se calcula la eficiencia p^Pjl) del conjunto generador 1 para la potencia de salida P del conjunto generador 1 y para el valor i correspondiente a la velocidad angular mTMj del motor térmico 2, como producto de la eficiencia pTM{P,i) del motor térmico 2 y la eficiencia pEG^PjE) del generador eléctrico 3 calculadas en el paso anterior. En el paso 106, la eficiencia del conjunto generador 1 calculada se almacena en una matriz M(P,i). En dicha matriz M(P,i), para cada valor de potencia de salida P del conjunto generador 1 y de velocidad angular (¿Tmj del motor térmico 2 se almacena el valor de eficiencia p^P,i) del conjunto generador 1 correspondiente.
En el caso en que la potencia P de salida del conjunto generador 1 que se está analizando no pertenezca al rango de potencias de salida entre Pgensetminj y Pgensetmaxj, es decir, si el valor de potencia de salida P del conjunto generador 1 que se está analizando no pertenece al rango de potencias de salida del conjunto generador 1 cuando éste gira a la velocidad angular a TMj , el valor de la eficiencia del conjunto generador 1 para dicha potencia P y a la velocidad angular (¿Tmj sería 0, tal y como se muestra en el paso 110 de la figura 4A.
En el paso 107 del diagrama de flujo de la figura 4A se comprueba si i ha alcanzado el valor máximo nTM, es decir, si para la potencia de salida P del conjunto generador 1, se han obtenido todos los posibles puntos de operación, es decir, los puntos de operación en todas las velocidades angulares discretas del motor térmico 2. Si no es así, se incrementa i en una unidad, es decir, se pasa al siguiente valor posible de velocidad angular del motor térmico 2, y se repite de nuevo el primer bucle, es decir, los pasos desde el 103 al 106. Una vez i haya alcanzado el valor máximo nTM, para el valor P de potencia de salida del conjunto generador 1 ya se habrán obtenido todos los posibles puntos de operación para dicha potencia de salida P, y la eficiencia en cada uno de dichos puntos posibles de operación se habrá almacenado en la matriz M(P,i).
A continuación, en el paso 108 del diagrama de flujo de la figura 4A, la potencia P de salida del conjunto generador 1 se incrementa en un valor AP, entrando en un segundo bucle en el que se repetirán los pasos desde el 102 al 107. Cada vez que se ejecute la secuencia de pasos 102 a 107, se calcularán todos los posibles puntos de operación del conjunto generador 1 para la potencia inmediatamente superior a la potencia para la cual se hayan calculado los posibles puntos de operación en la secuencia de pasos 102 a 107 ejecutada inmediatamente antes. Dicha potencia inmediatamente superior será un AP superior a la potencia inmediatamente anterior a ella. Estos pasos 102 a 107 se repetirán hasta que la potencia P alcance la potencia máxima de salida Pgenset_max del conjunto generador 1, tal y como se muestra en el paso 109 de la figura 4A.
La matriz M(P,i). contiene los valores de eficiencia de todos los posibles puntos de operación del conjunto generador 1 para cada potencia de salida del conjunto generador 1 y en cada posible velocidad angular del motor térmico 2. Para seleccionar los puntos óptimos de operación, en el paso 201 se parte de un valor de potencia de salida Pg e n s e t del conjunto generador 1 igual a la potencia mínima de salida Pg e n s e t_ m in de dicho conjunto generador 1. En el paso 202 del diagrama de flujo de la figura 4B, para dicho valor mínimo de potencia de salida del conjunto generador 1 se analizan las eficiencias P(Pgenset,i) de los posibles puntos de operación del conjunto generador 1 para esa potencia Pgenset almacenados en la matriz M(P,i), seleccionando aquel punto de operación en el que dicha eficiencia P(Pgenset,i) sea máxima como punto óptimo de operación para la potencia Pgenset. Este primer punto
óptimo de operación OptPgenset tendrá una velocidad angular cúTmj del motor térmico 2 y un par TEG l del generador eléctrico 3, a los que se denominará (¿pgenset y TPgenset.
El segundo punto óptimo de operación será el punto óptimo de operación del conjunto generador 1 para una potencia de salida de dicho conjunto generador 1 igual a la potencia de salida del primer punto óptimo de operación Pgenset, más un incremento de potencia AP.
Para obtener dicho segundo punto óptimo de operación, se calculará la eficiencia del conjunto generador 1 para la salida de potencia Pgen set A P en cada posible punto de operación, como suma de la eficiencia P (Pgenset+APji) almacenada en la matriz M (P ,i) para dicho posible punto de operación más la eficiencia de la transición n°>pgenset«(pgenset+APi) desde la velocidad angular del primer punto óptimo de operación ya calculado tePgenset hasta la velocidad angular del motor térmico 2 de dicho segundo posible punto de operación w(Pflense£+APj¡).
Posteriormente se seleccionará de entre todos los posibles segundos puntos de operación para la potencia de salida Pgenset + AP del conjunto generador 1, aquel cuya eficiencia del conjunto generador 1 sea máxima.
Este segundo punto óptimo de operación OpíPflense£+AP tendrá una velocidad angular a TM i del motor térmico 2 y un par TEG l del generador eléctrico 3, a los que se denominará wPflense£+AP y TPflense£+AP.
El proceso utilizado para calcular el segundo punto óptimo de operación es el mismo que el que se utilizará para obtener el resto de puntos óptimos de operación del conjunto generador 1. Es decir, el proceso a seguir para seleccionar los puntos óptimos de operación del conjunto generador 1 a partir del segundo punto óptimo de operación es un proceso iterativo, tal y como se observa en la figura 4B, en el que en cada iteración se realizan los pasos 203, 204 y 205.
En el paso 203 del diagrama de flujo de la figura 4B, la potencia PgenSet para la cual se va a seleccionar el punto óptimo de operación se incrementa en un AP. En el paso 204 se calcula para cada posible punto de operación a esa nueva potencia PgenSe t , la eficiencia del conjunto generador 1 como suma de la eficiencia previamente calculada en la matriz M (P ,i) para cada posible punto de operación en dicha nueva potencia PgenSet más la eficiencia de la transición desde la velocidad angular del punto óptimo de operación en la potencia inmediatamente anterior ya calculada wPflense£ hasta la velocidad angular del motor térmico 2 de cada posible punto de operación en la nueva potencia PgenSe t , seleccionando como punto óptimo de operación en la nueva potencia PgenSet aquel en el que la eficiencia del conjunto generador 1 sea máxima.
El método de la invención selecciona el punto de operación que presente la eficiencia más alta para cada incremento de potencia, priorizando aquellas transiciones entre velocidades del motor térmico que presenten mayor eficiencia en la propia transición.
En una realización preferente, el método de la invención calcula la eficiencia de la transición desde una primera velocidad angular del motor térmico 2 a una segunda velocidad angular del motor térmico 2 en función de al menos una de las variables siguientes: el tiempo que necesita el motor térmico 2 para realizar dicha transición, la eficiencia térmica del motor térmico 2 al realizar dicha transición, y el consumo de combustible del motor térmico 2 al realizar dicha transición, asignándose una ponderación a cada una de ellas en caso de emplearse más de una de dichas variables.
Los valores de eficiencia de la transición desde una primera velocidad angular del motor térmico 2 a una segunda velocidad del motor térmico 2 se almacenan en 3 matrices. En una matriz T se almacena la eficiencia de la transición desde cada una de las posibles velocidades angulares del motor térmico 2 a cada una de las velocidades de dicho motor térmico 2 en base al tiempo necesario para realizar dicha transición. Dicha eficiencia es inversamente proporcional al tiempo empleado por el motor térmico 2 para realizar la transición.
En una matriz R se almacena la eficiencia de la transición desde cada una de las posibles velocidades angulares del motor térmico 2 a cada una de las velocidades de dicho motor térmico 2, en base a la eficiencia térmica del motor térmico 2 al realizar dicha transición.
En una matriz F se almacena la eficiencia de la transición desde cada una de las posibles velocidades angulares del motor térmico 2 a cada una de las velocidades de dicho motor térmico 2, en base al consumo de combustible necesario para realizar dicha transición. Dicha eficiencia es inversamente proporcional al combustible empleado por el motor térmico 2 para realizar la transición.
Los valores almacenados en las matrices T, R y F, es decir, la eficiencia de la transición desde cada una de las posibles velocidades angulares del motor térmico 2 a cada una de las velocidades de dicho motor térmico 2, en base al tiempo que necesita el motor térmico 2 para realizar dicha transición, la eficiencia térmica del motor térmico
2 al realizar dicha transición, y el consumo de combustible del motor térmico 2 al realizar dicha transición podrán ser proporcionados por el fabricante del motor térmico, aunque también podrían obtenerse empíricamente.
La eficiencia de la transición desde la velocidad angular del punto óptimo de operación ya seleccionado para la potencia de salida Pgenset del conjunto generador 1 a uno de los posibles puntos de operación para la potencia de salida inmediatamente superior, es decir, la potencia Pgenset AP, concretamente para la velocidad angular a TM l , del motor térmico 2 se podría calcular mediante la ecuación 2:
donde wT es la ponderación asignada a la eficiencia en la transición desde una primera velocidad angular del motor térmico 2 a una segunda velocidad angular del motor térmico 2 en base al tiempo necesario para realizar dicha transición, wR es la ponderación asignada a la eficiencia en la transición desde una primera velocidad angular del motor térmico 2 a una segunda velocidad angular del motor térmico 2 en base a la eficiencia térmica del motor térmico 2 al realizar dicha transición, y wF es la ponderación asignada a la eficiencia en la transición desde una primera velocidad angular del motor térmico 2 a una segunda velocidad angular del motor térmico 2 en base al consumo de combustible empleado por el motor térmico 2 para realizar dicha transición.
El método de la invención considera en esta realización tres variables para calcular la eficiencia de la transición desde una velocidad angular hasta otra velocidad angular del motor térmico, sin embargo, esta elección de variables no pretende ser una limitación de la presente invención, y en otras realizaciones se podrían utilizar éstas u otras variables que por su relevancia se considere deban ser tomadas en cuenta a la hora de seleccionar los puntos óptimos de operación, cada una de ellas con la ponderación más adecuada en función de su relevancia.
En el cálculo de la eficiencia de cada posible punto de operación, el método de la invención asigna en esta realización una ponderación a la eficiencia del conjunto generador 1 en cada posible punto de operación para cada potencia de salida del conjunto generador 1 calculada en base a la eficiencia del motor térmico 2 y la eficiencia del generador eléctrico 3, y otra ponderación a la eficiencia de la transición a la velocidad angular del motor térmico 2 en cada dicho posible punto de operación desde la velocidad angular del motor térmico 2 en el punto de operación previamente seleccionado para la potencia inmediatamente anterior de dicho conjunto generador 1.
A la hora de calcular la eficiencia del conjunto generador 1 en cada posible punto de operación se toman en cuenta dos factores, el factor estacionario asociado a la eficiencia del conjunto generador 1 operando en una velocidad angular, y el factor transitorio asociado a moverse desde dicha velocidad angular hasta otra velocidad angular.
La eficiencia del conjunto generador 1 en un posible punto de operación del mismo, para una potencia de salida Pgenset AP, concretamente para la velocidad angular a TM i del motor térmico 2, se podría calcular mediante la ecuación 3:
donde wM es la ponderación asignada al factor estacionario, es decir, a la eficiencia del conjunto generador 1 calculada únicamente en base a la eficiencia del motor térmico 2 y la eficiencia del generador eléctrico 3, es decir la eficiencia almacenada en la matriz M, y wx es la ponderación asignada al factor transitorio asociado a la transición desde la velocidad angular del punto óptimo en la potencia inmediatamente anterior Pgenset, a la velocidad angular a TM i del posible punto de operación en la potencia Pgenset AP.
El método de la invención obtiene los puntos óptimos de operación de un conjunto generador 1 de modo offline. Una vez obtenidos, la información relativa a dichos puntos óptimos se almacena en el medio de almacenamiento de información, desde el cual dicha información podría obtenerse. Dicho medio de almacenamiento de información almacena los valores de velocidad angular del motor térmico 2, par del generador eléctrico 3 y potencia de salida del conjunto generador 1 en los puntos óptimos de operación del conjunto generador 1 obtenidos mediante el método de la invención.
La invención se refiere también a un sistema de control para un conjunto generador 1 que comprende un motor térmico 2 acoplado a un generador eléctrico 3, estando dispuesto dicho sistema en comunicación con el motor térmico 2 y el generador eléctrico 3 de dicho conjunto generador 1, comprendiendo el sistema de control el medio de almacenamiento de información en el que se almacenan los valores de velocidad angular del motor térmico 2, par del generador eléctrico 3 y potencia de salida del conjunto generador 1 en los puntos óptimos de operación del conjunto generador 1 obtenidos mediante el método de la invención.
El sistema está configurado para recibir una demanda de potencia de salida a ser proporcionada por el conjunto generador 1. A continuación, el sistema selecciona de entre los puntos óptimos de operación del conjunto generador 1 almacenados en el medio de almacenamiento de información, aquel punto óptimo cuya potencia de salida corresponda a la potencia demandada, y determina los valores de velocidad angular del motor térmico 2 y par del generador eléctrico 3 de dicho punto óptimo seleccionado. Seguidamente, el sistema actúa sobre el motor térmico 2 para que opere a la velocidad angular correspondiente al punto óptimo seleccionado, y sobre el generador eléctrico 3 para que proporcione el par correspondiente al punto óptimo seleccionado.
La invención se refiere también a un vehículo híbrido 20 que comprende dicho sistema de control.
Finalmente, la invención se refiere también a una unidad de energía para microrredes que comprende dicho sistema de control.
Claims (6)
1. Método de obtención y almacenamiento de los puntos óptimos de operación de un conjunto generador que comprende un motor térmico (2) acoplado a un generador eléctrico (3), donde el conjunto generador (1) tiene una pluralidad de posibles puntos de operación, comprendiendo cada punto de operación una velocidad angular del motor térmico (2), un par del generador eléctrico (3) y una potencia de salida del conjunto generador (1), que comprende los siguientes pasos:
- obtención de todas las posibles combinaciones de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) para cada potencia de salida del conjunto generador (1), - cálculo de la eficiencia del conjunto generador (1) en cada una de dichas combinaciones de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) teniendo en cuenta la eficiencia del motor térmico (2) y la eficiencia del generador eléctrico (3) en cada uno de dichos puntos posibles de operación del conjunto generador (1),
y caracterizado porque comprende los siguientes pasos:
- selección de la combinación óptima de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) para cada potencia de salida del conjunto generador (1) de modo que sea máxima la eficiencia del conjunto generador (1) en cada uno de los puntos de operación seleccionados, calculando dicha eficiencia como la suma de la eficiencia del conjunto generador (1) calculada en el paso anterior para cada posible punto de operación del conjunto generador (1), y la eficiencia de la transición a la velocidad angular del motor térmico (2) en dicho punto de operación desde la velocidad angular del motor térmico (2) en el punto de operación previamente seleccionado para la potencia inmediatamente anterior de dicho conjunto generador (1), y - almacenamiento de dicha combinación óptima de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) para cada potencia de salida del conjunto generador (1) en un medio de almacenamiento de información.
2. Método según la reivindicación 1, en donde la eficiencia de la transición desde una primera velocidad angular del motor térmico (2) a una segunda velocidad angular del motor térmico (2) se calcula en función de al menos una de las variables siguientes:
- el tiempo que necesita el motor térmico (2) para realizar dicha transición,
- la eficiencia térmica del motor térmico (2) al realizar dicha transición, y
- el consumo de combustible del motor térmico (2) al realizar dicha transición,
asignándose una ponderación a cada eficiencia calculada en caso de emplearse más de una de dichas variables.
3. Método según la reivindicación 1 o 2, en donde se asigna una ponderación a la eficiencia del conjunto generador (1) en cada posible punto de operación para cada potencia de salida del conjunto generador (1) calculada en base a la eficiencia del motor térmico (2) y la eficiencia del generador eléctrico (3), y otra ponderación a la eficiencia de la transición a la velocidad angular del motor térmico (2) en cada dicho posible punto de operación desde la velocidad angular del motor térmico (2) en el punto de operación previamente seleccionado para la potencia inmediatamente anterior de dicho conjunto generador (1).
4. Sistema de control para un conjunto generador (1) que comprende un motor térmico (2) acoplado a un generador eléctrico (3), estando dispuesto dicho sistema en comunicación con el motor térmico (2) y el generador eléctrico (3) de dicho conjunto generador (1), caracterizado porque comprende el medio de almacenamiento de información en el que se almacenan los valores de velocidad angular del motor térmico (2), par del generador eléctrico (3) y potencia de salida del conjunto generador (1) en los puntos óptimos de operación del conjunto generador (1) obtenidos mediante el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, estando el sistema configurado para:
- recibir una demanda de potencia de salida a ser proporcionada por el conjunto generador (1), - seleccionar de entre los puntos óptimos de operación del conjunto generador (1) almacenados en el medio de almacenamiento de información, aquel punto óptimo cuya potencia de salida corresponda a la potencia demandada,
- determinar los valores de velocidad angular del motor térmico (2) y par del generador eléctrico (3) de dicho punto óptimo seleccionado,
- actuar sobre el motor térmico (2) para que opere a la velocidad angular correspondiente al punto óptimo seleccionado, y
- actuar sobre el generador eléctrico (3) para que proporcione el par correspondiente al punto óptimo seleccionado.
5. Vehículo híbrido (20) caracterizado porque comprende un sistema de control según la reivindicación 4.
6. Unidad de energía para microrredes caracterizada porque comprende un sistema de control según la reivindicación 4.
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