Autor: NAVARRO SORIANO, Gustavo
Título: Modelado y dimensionado de un sistema de almacenamiento basado en supercondensadores para la integración en red de energías renovables
Fecha: 2022
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70483/
Director/a(s):
- Director/a: BLANCO AGUADO, Marcos
- Director/a: RAMÍREZ PRIETO, Dionisio
Resumen: En esta tesis se propone una metodología de dimensionado de un sistema de almacenamiento de energía para la conexión a red de energías renovables. En la actualidad, el objetivo del empleo de sistemas de almacenamiento de energía con sistemas de generación renovable conectados a red es suavizar las oscilaciones de la potencia entregada. Debido a la variabilidad e intermitencia del recurso renovable es necesario limitar dicha potencia generada para no provocar problemas e inestabilidad en el punto de conexión. La metodología de dimensionado propuesta se puede aplicar a cualquier sistema de almacenamiento y a cualquier fuente de generación renovable, una vez conocido el perfil de potencia generada. El sistema de almacenamiento de energía estudiado en este trabajo se basa en condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) comúnmente conocidos como supercondensadores. Así mismo, la metodología se aplica a un perfil de generación real de una planta de generación de energía a partir del oleaje - o planta undimotriz - ubicada en el norte de España. El criterio principal que se ha seguido para reducir las oscilaciones de la potencia entregada a la red es limitar el porcentaje de la rampa de subida (%/min) de la potencia generada respecto a la capacidad de la planta de generación. Este criterio está asociado con limitaciones existentes en los códigos de red que impone el operador de la red eléctrica de cada país para, entre otros objetivos, limitar las variaciones bruscas de potencia entregada. El documento comienza con una breve introducción y a continuación se divide en tres capítulos principales: 2) Estado del arte de la tecnología de los supercondensadores, modelado y sus aplicaciones, 3) Caracterización, operación y aspectos técnicos de los supercondensadores y 4) Metodología de dimensionado de un sistema de almacenamiento basado en supercondensadores para su aplicación en una planta de generación undimotriz conectada a la red eléctrica. En el capítulo 2 se describe el estado del arte de las diferentes tecnologías que se emplean para la fabricación de supercondensadores y sus características eléctricas principales. También se revisan las potenciales aplicaciones industriales de los supercondensadores en base a las publicaciones científicas encontradas en la bibliografía. Se presenta el estado del arte de los circuitos eléctricos para modelar el comportamiento en operación de los supercondensadores. El capítulo 2 finaliza con los principales fabricantes que comercializan supercondensadores de alta potencia en la actualidad y los retos tecnológicos para el futuro. En el capítulo 3 se realiza una caracterización completa de una celda de supercondensador en la que se basa el sistema de almacenamiento de la metodología de dimensionado propuesta. A partir de ensayos experimentales se calculan los parámetros principales que caracterizan la celda y se comparan con los facilitados por el fabricante en la hoja de características. Se extraen dichos parámetros y se estudia qué variables afectan a su evolución en todo el rango de operación. Debido a la baja tensión nominal de la celda estudiada, es necesario conectar un gran número de ellas en serie para alcanzar niveles de tensión propios de aplicaciones industriales. Esto conlleva un cierto desequilibrio en el reparto de la tensión total entre las celdas conectadas. Este desequilibrio de tensión y las variables de las que depende se estudia a partir de los ensayos experimentales realizados en dos prototipos, cada uno con una configuración diferente. Como segunda derivada de estos ensayos, se extraen conclusiones de cómo evoluciona el envejecimiento en los supercondensadores. En este capítulo también se aplica la técnica de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) a la celda para analizar la respuesta en frecuencia de la celda. La respuesta obtenida experimentalmente se compara con la facilitada por el fabricante. A partir de los resultados obtenidos se propone un circuito que se ajusta a dicha respuesta. Aunque los supercondensadores son sistemas de almacenamiento de energía que funcionan en corriente continua, no siempre es posible conseguir que la corriente no tenga una componente de alterna, la cual está asociada a la frecuencia de conmutación del convertidor de electrónica de potencia necesario para controlar la potencia de carga/descarga. De nuevo a partir de ensayos experimentales, se estudia cómo afecta la amplitud y la frecuencia de ese rizado de alterna en la eficiencia de los supercondensadores. El capítulo acaba con el modelado térmico de la celda a partir de un ensayo térmico a dos corrientes diferentes. En el capítulo 4 se describe el sistema de almacenamiento basado en supercondensadores que se ha diseñado, fabricado e instrumentado durante el desarrollo de la tesis. Se detalla el estudio realizado para definir cuál es la mejor configuración de las celdas dentro del armario desde el punto de vista de la refrigeración, las partes de las que se compone y las características eléctricas principales. A continuación, se calcula la potencia de pérdidas del armario durante la carga/descarga en función de la corriente y la tensión en bornes del armario. En este cálculo también se tienen en cuenta las pérdidas en el convertidor electrónico de potencia. A partir de la potencia de pérdidas se desarrollan los mapas de eficiencia del sistema de almacenamiento completo que se aplicarán durante el dimensionado. A continuación, se propone una metodología de dimensionado y se aplica a los datos reales de generación medidos en la planta de generación undimotriz situada en Mutriku (País Vasco). El sistema de almacenamiento a dimensionar se compondrá de un número entero de unidades del sistema desarrollado tales que cumplan el criterio elegido. El criterio establecido en este caso para el dimensionado es la limitación de la rampa de subida de la potencia entregada a la red respecto a la potencia generada. El capítulo concluye con el análisis de los resultados obtenidos y reflexiones generales sobre la aplicación de la metodología. ----------ABSTRACT---------- This thesis proposes a methodology for sizing an energy storage system for the grid connection of renewable energies. Currently, the objective of the use of energy storage systems with renewable generation systems connected to the grid is to smooth the oscillations of the delivered power. Due to the variability and intermittency of the renewable resource, it is necessary to limit the power generated in order not to cause problems and instability at the connection point. The proposed sizing methodology can be applied to any storage system and to any renewable generation source, once the generated power profile is known. The energy storage system studied in this work is based on electric double layer capacitors (EDLC) commonly known as supercapacitors. Likewise, the methodology is applied to a real generation profile of a wave energy generation plant - or wave power plant - located in the north of Spain. The main criterion followed to reduce the oscillations of the power delivered to the grid is to limit the percentage of the ramp-up (%/min) of the generated power with respect to the capacity of the generation plant. This criterion is associated with existing limitations in the grid codes imposed by the grid operator in each country to, among other objectives, limit abrupt variations in delivered power. The document starts with a brief introduction and is then divided into three main chapters: 2) State of the art of supercapacitor technology, modelling and its applications, 3) Characterisation, operation and technical aspects of supercapacitors and 4) Sizing methodology of a supercapacitor-based storage system for application in a grid-connected wave power plant. Chapter 2 describes the state of the art of the different technologies used for the fabrication of supercapacitors and their main electrical characteristics. It also reviews the potential industrial applications of supercapacitors based on scientific publications found in the literature. The state of the art of electrical circuits for modelling the operating behaviour of supercapacitors is presented. Chapter 2 concludes with the main manufacturers marketing high power supercapacitors today and the technological challenges for the future. In chapter 3, a complete characterisation of a supercapacitor cell on which the storage system of the proposed sizing methodology is based is carried out. Based on experimental tests, the main parameters characterising the cell are calculated and compared with those provided by the manufacturer in the data sheet. These parameters are extracted and the variables affecting their evolution over the whole operating range are studied. Due to the low nominal voltage of the cell studied, it is necessary to connect a large number of cells in series to reach voltage levels typical of industrial applications. This leads to a certain imbalance in the distribution of the total voltage between the connected cells. This voltage unbalance and the variables on which it depends are studied on the basis of experimental tests carried out on two prototypes, each with a different configuration. As a second derivative of these tests, conclusions are drawn on how ageing evolves in supercapacitors. This chapter also applies the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique to the cell to analyse the frequency response of the cell. The response obtained experimentally is compared with that provided by the manufacturer. From the results obtained, a circuit that matches the response is proposed. Although supercapacitors are energy storage systems that operate in direct current, it is not always possible to ensure that the current does not have an alternating current component, which is associated with the switching frequency of the power electronic converter needed to control the charge/discharge power. Again on the basis of experimental tests, how the amplitude and frequency of the AC ripple affects the efficiency of supercapacitors is studied. The chapter ends with the thermal modelling of the cell from a thermal test at two different currents. Chapter 4 describes the storage system based on supercapacitors that has been designed, manufactured and instrumented during the development of the thesis. It details the study carried out to define the best configuration of the cells inside the cabinet from a cooling point of view, the parts of which it is composed and the main electrical characteristics. The power losses of the cabinet during charging/discharging are then calculated as a function of the current and voltage at the cabinet terminals. The losses in the power electronic converter are also taken into account in this calculation. Based on the power losses, the efficiency maps of the complete storage system are developed and applied during sizing. A sizing methodology is then proposed and applied to real generation data measured at the wave power plant located in Mutriku (Basque Country). The storage system to be sized will be made up of an integer number of units of the developed system such that they meet the chosen criterion. The criterion established in this case for sizing is the limitation of the ramp-up of the power delivered to the grid with respect to the power generated. The chapter concludes with an analysis of the results obtained and general reflections on the application of the methodology.