La electrónica de potencia en las energías renovables marinas

La electr贸nica de potencia en las energ铆as renovables marinas

Grupo de investigaci贸n en electr贸nica aplicada

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Índice v Introducción v Convertidores de potencia en generación marina • Sistema de producción eléctrica • Sistema de conexión a la red eléctrica

v Desafíos v Otros campos de aplicación y oportunidades

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Introducción v ¿Que es la electrónica de potencia?

La electrónica de potencia es la rama de la electrónica que realiza la conversión de la energía eléctrica entre sus diferentes formas Forma de onda: alterna, continua.

Amplitud.

Frecuencia.

De la forma más eficiente posible.

Utilizando para ello: Inductancias Condensadores Dispositivos semiconductores como interruptores.

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Introducción v Límites de los semiconductores: Tensión Corriente Frecuencia (P >>, f <<) Encapsulado y refrigeración

v Potencia en aplicaciones marinas: P > MW V > 1 kV A > 1 kA

v Necesidad de diseños compactos

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Introducción

v Requisitos similares a: HVDC FACTS Tracción Ferroviaria

v En diseños experimentales estos requisitos son menores, pero se debe tener en cuenta las exigencias del diseño final.

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Convertidores de potencia en generación marina

v Gran divergencia tecnológica v Elemento común: • •

Generador eléctrico de inducción Generador eléctrico Síncrono

v Objetivo final: Generadores multimegavatio •

Pequeñas potencias no justifican la inversión

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Convertidores de potencia en generación marina v Optimizar la extracción de energía requiere • Generador AC trifásico con: v Tensión variable v Frecuencia variable v Baja o media tensión

v Transportar la energía eléctrica generada en el mar a los centros de consumo en tierra requiere: • Alta tensión (AC o DC)

v Los centros de consumo en tierra requieren: • Tensión AC fija • Frecuencia fija

SE REQUIERE ELECTRONICA DE POTENCIA EN GENERACION, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE LAS ENERGIAS RENOVABLES MARINAS Grupo de investigación en electrónica aplicada 7

Convertidores de potencia en generación marina Ejemplo: Parque eólico marino Requiere: v

Sistema de producción eléctrica

• Generador + Convertidor de potencia v

Sistema de conexión a la red eléctrica

• AC – Transformador y FACTS • DC - Transformador + convertidor de potencia v

Sistemas de orientación y pitch

• Motores + convertidores de potencia v

Sistemas de protección, conexión y desconexión

v

Sistemas de auxiliares de iluminación, refrigeración, hidraúlicos...

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Sistema de producción eléctrica

Objetivo: Extraer la máxima energía disponible • Frecuencia y amplitud variable en la energía del viento (o de las olas, o de las mareas) • Maximum Power Point Tracking o MPPT

v Conversión de energía eléctrica •

AC de amplitud y frecuencia variable

• en AC de amplitud y frecuencia fija o DC para conexión a sistema de distribución del parque.

• Convertidor Back to Back (Dos inversores con bus DC común)

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Sistema de producci贸n el茅ctrica DFIG Bajo coste Control parcial de velocidad del generador Repower 6M Series 6MW Sinovel SL6000 6MW Bard 5MW 5MW(discontinued)

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Sistema de producci贸n el茅ctrica Full converter Control en todo el rango de velocidades

LV

Vestas V164 8MW Alstom Haliade 6MW Enercon E126 7.5MW (onshore) Samsung S7.0 171 7MW Areva M5000 6MW Gamesa G5 5MW XEMC 5MW 5MW

MV Grupo de investigaci贸n en electr贸nica aplicada 11

Sistema de producción eléctrica: LV vs. MV v Experiencia en otras industrias • Grandes potencias requieren media tensión • Reducción de cableado y tamaño de generadores

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Sistema de producción eléctrica v Objetivo final: Generadores multimegavatio v Difícil compromiso entre disminución de tamaño y pérdidas admisibles Conexión a transformador

Sistema de Reactancia refrigeración

Conexión a generador

Semiconductores

Control

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Sistema de conexión a la red eléctrica: Distribución v Objetivo: Punto único de conexión al cable de transmisión v Distancia reducida (<10km) por generador v Longitud total de cable elevada (> 100 km) v Actualmente: 33 kV AC v Alternativa: 33 kV DC para reducir coste de cable y su instalación: Electrónica de potencia

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Sistema de conexión a la red eléctrica: transmisión v Alternativa convencional: AC 100 kV - 300 kV v Distancia < 50km v Transformador de gran tamaño (50 Hz)

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Sistema de conexión a la red eléctrica: transmisión Distancia > 50 km: HVDC VSC v Basado en VSC de varios niveles: • Control instantáneo de PQ • Menos armónicos • Puede arrancar sin red (p. ejemplo parque sin viento) • No necesita comunicación entre estaciones • No necesita compensación de reactiva (CCC o CSCC) • Compacto (muy importante en aplicaciones en alta mar) • Perdidas mayores que LCC

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Sistema de conexión a la red eléctrica: transmisión Estado del arte: HVDC VSC ABB (HVDC Light)

Siemens (HVDC Plus)

Areva

Pmax 1000MW en breve

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Sistema de conexión a la red eléctrica: transmisión

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Sistema de conexi贸n a la red el茅ctrica: WinDC

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Sistema de conexión a la red eléctrica: WinDC Rectificador de 33 kV y 1.2 kHz

Transformador de 33 kV y 1.2 kHz Con núcleo nanocristalino

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WinDC: Topología (¡aparentemente convencional!) v Transformador en media frecuencia 1200Hz: • Reducción considerable de tamaño y peso.

• Mayores perdidas W/kg pero menos Kg. Acero Amorfo o nanocristalino.

• Menor cableado en parque.

• Similares perdidas.

• Coste similar a transformador convencional (material más caro pero mucho menos volumen)

v Rectificador: • En el caso de utilizar diodos no es necesario control en el lado de alta tensión.

• Aumenta de coste de electrónica de potencia por cada aerogenerador (o generador marino) amortizado por reducción de pérdidas y coste de cableado.

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Desafíos: Reducción de volumen y costes v Reducción de tamaño con SiC • • • •

Mayor temperatura de unión Mayor tensión máxima Mayor frecuencia de operación Actualmente coste muy elevado

v Reducción de tamaño aumentando frecuencias de operación v Reducción de tamaño aumentando la tensión del sistema v Reducción de cableado usando DC en lugar de AC

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Otros campos de aplicación y oportunidades v Propulsión marina híbrida

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Otros campos de aplicación y oportunidades v Extracción de petróleo y Gas •

Potencias

v Bombas submarinas 1,5-2,5 MW v Compresores 6- 13 MW v Potencia total de distribución submarina 20-150 MW •

Frecuencias

v Control power selected single freq. 50/60 Hz v Pumps 0-85 Hz v Compressors 0-250 Hz v Distribution systems selected single freq. 50/60 Hz

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