19 diciembre 2010

Acoplamiento AC parcial en Minigrid



En este artículo definimos el concepto de acoplamiento parcial en una minigrid, explorando sus límites y subrayando los beneficios del acoplamiento mixto DC y AC. Actualmente se acepta que los sistemas híbridos a menudo ofrecen una solución conveniente para la electrificación rural. Las configuraciones estandar que actualmente se usan son DC-bus, AC-bus, o una mezcla DC y AC. Cada sistema simple tiende a ser una mezcla que el integrador del proyecto optimiza.

El acoplamiento AC en minigrids generalmente se asocia con el uso de funciones V/f droop. Con el mismo método de control droop implementado, pueden conectarse en paralelo todos los elementos claves del AC-bus: Inversores de baterías, generadores, inversores solares, turbinas eólicas e inversores. En este artículo describimos los casos que tienen lugar donde elementos que no tienen todos las mismas V/f droops pueden conectarse por la AC. Esta tecnología se denomina "Partial AC-coupling", porque ciertos tipos de elementos pueden conectarse en paralelo pero no todos.

Las fuentes de voltaje (VS) electricamente diferentes no deben conectarse juntos  en un sistema sin una sincronización apropiada como un bus de comunicaciones o droop. Pero una fuente de corriente (CS) y una fuente de voltaje pueden interconectarse sin problemas. Los inversores de alimentación de Grid (solar, eólico,...) son típicamente CS en paralelo con una VS. Generalmente la VS es la red principal pero puede ser un inversor de batería bidireccional creando el voltaje de un grid en isla.

Estrategia de control de la frecuencia

En un sistema aislado la batería tiene un papel buffer para mantener el equilibrio de producción-consumo. El buffer queda limitado con la capacidad de la batería y es necesario controlar la producción para que el sistema trabaje con seguridad. Si las baterías están llenas la producción de energía debe reducirse, pararse o consumirse absolutamente para evitar sobrecarga de las baterías. Esto puede hacerse con conexión/desconexión de fuentes con circuitos de conmutación, cargas de volcado u otros métodos de control (bus de comunicaciones....). Pero una solución más simple y efectiva en costes para el control de la red conectada al inversor es con la frecuencia como vector de información. Un inversor de batería central trabaja como un inversor VS (VSI) para proporcionar una grid AC en isla. Esta VSI lleva a cabo el control del voltaje y la frecuencia en el sistema. La frecuencia se modifica como una función del estatus de la batería y cada productor o consumidor en el bus AC puede conmutar on/off de acuerdo con la información transmitida por la frecuencia de referencia.

También se añade al sistema una disminución de la frecuencia. Es interesante conocer también cuando las baterías están vacías con una baja frecuencia de la red AC. Por ejemplo, relés inteligentes pueden desconectar cargas cuando las baterías son bajas.

Uso de un inversor solar conectado a la red pública

La red conectada a la energía solar tiene un enorme mercado comparado con la instalaciones aisladas, y existen muchos productos especialmente para sistemas de tamaño medio, en el rango de unos pocos kW, típicamente en minigrids. Una red conectada al inversor solar puede ser conectado a una red AC producido por un inversor de batería bi-direccional.

El sistema trabaja en diferentes escenarios:
  1. Hay menos energía solar de la necesaria para alimentar la carga del usuario: El inversor de red trabaja como MPPT y toda la energía solar cubre una parte de la carga necesaria.
  2. Hay más energía solar de la necesaria para la carga del usuario. a) Las baterías no están completamente cargadas: El inversor trabaja en MPP y la energía solar cubre la carga del usuario y el exceso recarga las baterías. b) Si las baterías están llenas, el inversor de red está conectado y apagado cuando se incrementa la frecuencia.
Reducción de la potencia en función de la frecuencia

Un requerimiento particularmente interesante para nuestra aplicación, es la reducción de la potencia activa que se produce en función de la frecuencia. Cuando se incrementa la frecuencia, la red conectada al inversor no para sino que reduce la potencia linealmente entre 50.2Hz y 51.5Hz. Esto ocurre en voltajes medios y altos pero no en voltajes bajos. Cambiando un poco su frecuencia de salida, el inversor de la bataría será capaz de controla la producción solar en una red de isla para acoplar el equilibrio de producción-consumo-almacenamiento. Esto se hará con un control preciso.

Red de inversores de baterías con modos de control diferentes

Otros elementos del inversor de red solar pueden ser el uso en este sistema con un VS centralizado. En el AC-bus, pueden conectarse cargadores-inversores de baterías estándar, si están en modo de control de corriente. Es posible distribuir los inversores de baterías en los inversores en el minigrid y hacerles trabajar juntos sin V/f droops aunque solamente haya una fuente de voltaje en el sistema. Obtenemos un sistema con un VS central y CS distribuido. La fiabilidad de esta minigrid es alta, debido a que cada inversor de batería con un relé de transferencia puede trabajar como una UPS, si hay problemas en la minigrid.

Más que eso, cada inversor CS puede tener su propio cargador solar (u otras fuentes) conectadas al lado DC y ser capaz de compartir esta energía con el resto de la minigrid debido a que es bidireccional. La gestión de la energía global puede hacerse con la frecuencia de la minigrid.

Mezclando circuitos AC y DC: Eficiencia y robustez

Considerando la eficiencia, el acoplamiento AC y DC no es similar. El perfil de potencia determina la eficiencia total nuevamente.
  • Si hay un exceso de producción solar durante el día debe almacenarse en baterías, y el acoplamiento DC tiene mayor eficiencia.
  • Si la energía solar se usa directamente, hay una conversión menos con el acoplamiento AC.
Bibliografía: Pierre-Olivier & Partial AC-coupling in Minigrids. Studer.
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