SISTEMAS HÍBRIDOS DE ENERGÍA RENOVABLE / ALTERNATIVA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: CONFIGURACIONES, CONTROL Y APLICACIONES

Autores: Viviana Castañeda, Fernanda Gulsqui, Christian Núñez, Stalin Salán, Zulimar Tacuri

Escuela de Ingeniería Electrónica Control y Redes Industriales, ESPOCH

Electrónica de Potencia I                                                          

  Riobamba, Ecuador                                                                                                                                    

SISTEMAS HÍBRIDOS DE ENERGÍA RENOVABLE / ALTERNATIVA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA: CONFIGURACIONES, CONTROL Y APLICACIONES

Resumen— Este

Palabras claves—

1. Introducción

Las tecnologías de generación de energía respetuosas con el medio ambiente (alternativas renovables y limpias) desempeñarán un papel importante en el suministro de energía en el futuro debido a la mayor conciencia pública mundial sobre la necesidad de protección del medio ambiente y el deseo de reducir la dependencia de los combustibles fósiles para la producción de energía. Estas tecnologías incluyen la generación de energía a partir de recursos de energía renovable (ER), como la eólica, fotovoltaica (FV), microhidráulica (MH), biomasa, geotérmica, olas y mareas oceánicas, y tecnologías de generación de energía alternativa limpia (EA) [como las pilas de combustible (PC) y las microturbinas (MTs)]. La PC y la MT también podrían considerarse fuentes de generación de energía renovable si su combustible de entrada se obtiene de fuentes renovables. Por ejemplo, el gas de los vertederos se ha utilizado como combustible para MT, la biomasa puede ser gasificada en Syngas y utilizada como combustible para MT y PC, o el combustible de hidrógeno puede ser generado usando electricidad generada por el viento o FV (a través de un electrolizador) para PC. Aunque no son renovables, los generadores diesel y los motores alternativos también se utilizan comúnmente para una amplia gama de aplicaciones de energía, pueden considerarse fuentes de energía renovables cuando se alimentan con combustibles renovables como el biocombustible.

En la actualidad se está trabajando intensamente en otras tecnologías de generación de energías renovables, como las olas y mareas oceánicas, la osmótica, la geotérmica, la PC y la MT, y también en los sistemas de almacenamiento de energía asociados para mejorar su rendimiento y fiabilidad operativos.

Debido a la naturaleza intermitente de muchos recursos de energías renovables (por ejemplo, eólica, solar, de olas marinas), las combinaciones híbridas de dos o más de sus tecnologías de generación de energía relevantes, junto con el almacenamiento y/o la generación de energía EA, pueden mejorar el rendimiento del sistema. En general, los sistemas híbridos convierten todas sus fuentes en una sola forma (típicamente eléctrica) y/o almacenan la energía en alguna forma (química, aire comprimido, térmica, mecánica, volante de inercia, etc.), y la salida agregada se utiliza para suministrar una variedad de cargas.

La respuesta de una fuente de energía con una respuesta dinámica más lenta puede ser mejorada mediante la adición de un dispositivo de almacenamiento con una dinámica más rápida (como un banco de baterías, un supercondensador o un volante de inercia) para cumplir con los diferentes tipos de requisitos de carga, por ejemplo, cargas de variación lenta y cargas y transitorias de carga rápidas.

El almacenamiento es una parte integral de un sistema híbrido de generación de energía ER/EA. Las tecnologías de almacenamiento de energía orientadas a la capacidad, como los sistemas hidroeléctricos por bombeo, el almacenamiento de energía de aire comprimido (CAES) y el almacenamiento de hidrógeno, generalmente no tienen un tiempo de respuesta rápido y se utilizan para el almacenamiento y liberación de energía a largo plazo, como la gestión de variaciones de carga lentas. Por otro lado, los dispositivos de almacenamiento orientados al acceso con tiempo de respuesta rápido, como baterías, volantes de inercia, supercapacitores y almacenamiento de energía magnética superconductora (AEMS), se utilizan para responder a perturbaciones de corta duración, como transitorios de carga rápida y para cuestiones de calidad de la energía.

Tabla 1. Diferentes tecnologías de generación ER/EA y dispositivos de almacenamiento de energía

Los resultados de las diversas fuentes de generación de un sistema energético híbrido deben coordinarse y controlarse para obtener todos sus beneficios. Se necesitan técnicas de optimización y estrategias de control adecuadas para dimensionar y despachar la energía de las fuentes de energía para hacer que todo el sistema sea sostenible al máximo. El problema de optimización puede, por lo tanto, ser multiobjetivo, a veces con objetivos contradictorios y, por lo tanto, complejo. En tales casos, sólo puede lograrse un punto óptimo global, como compensación entre varios puntos óptimos locales correspondientes a los diferentes objetivos. Estos problemas de optimización son difíciles (si no imposibles) de resolver utilizando técnicas analíticas. Las técnicas heurísticas de optimización multiobjetivo y los sistemas multiagente orientados a objetivos (SMA) han mostrado potencial para resolver estos problemas.

1. configuración del sistema de energía híbrida

1. ESQUEMAS DE INTEGRACIÓN

Un sistema hibrido o una microrred se forma de fuentes RE / AE, que se pueden integrar de diferentes formas, estas fuentes tienen diferentes características de funcionamiento, por lo tanto, es esencial contar con un procedimiento bien definido para conectarlas y funcionen de manera autónoma. Una microrred robusta también debe tener la capacidad de operación "plug-and-play".

Los métodos de integración de diferentes generadores de energía se pueden clasificar en tres sistemas:

• acoplados a CC
• acoplados a CA: acoplados a CA de frecuencia de potencia (PFAC) y acoplados a CA de alta frecuencia (HFAC)
• acoplados híbridos.

1. Sistemas acoplados a CC: en una configuración acoplada a CC, como se muestra en la Fig. 1

Las diferentes fuentes de AE ​​están conectadas a un bus de CC a través de circuitos de potencia.

[pic 1]

Si hay cargas de CC, también se pueden conectar al bus de CC directamente, o mediante convertidores de CC / CC, para lograr el voltaje de CC adecuado para las cargas de CC. El sistema puede suministrar energía a las cargas de CA, o conectarse a una red eléctrica a través de un inversor, que permita un flujo de energía bidireccional.

1. Sistemas acoplados a CA: El acoplamiento de CA se puede dividir en dos subcategorías: sistemas acoplados a PFAC y acoplados a HFAC.

El esquema de un sistema acoplado a PFAC se muestra en la Fig. 2 (a), donde las diferentes fuentes de energía se integran a través de sus circuitos de potencia a un bus de CA de frecuencia de potencia, en medio de estos se pueden necesitar inductores de acoplamiento para lograr la gestión del flujo de potencia deseado.

El esquema de un sistema acoplado HFAC se muestra en Fig. 2 (b). En este esquema, las diferentes fuentes de energía están acopladas a un bus HFAC a través de circuitos de potencia, al que están conectadas las cargas HFAC.

[pic 2]

En los sistemas PFAC y HFAC, se puede obtener corriente continua a través de rectificación ac / dc. La configuración HFAC también puede incluir un bus PFAC y una red pública al que se pueden conectar cargas de CA regulares.

1. Sistemas de acoplamiento híbrido: La figura 3 muestra un sistema acoplado híbrido, donde los recursos DG están conectados al bus de CC y / o al bus de CA. En esta configuración, algunas fuentes de energía se pueden integrar directamente sin circuitos de interfaz adicionales.

Como resultado, el sistema puede tener una mayor eficiencia energética y un costo reducido. Por otro lado, el control y la gestión de la energía pueden ser más complicados que para los esquemas acoplados a CC y CA.

[pic 3]

Los diferentes esquemas de acoplamiento encuentran sus propias aplicaciones apropiadas. Si las principales fuentes de generación de un sistema híbrido generan energía de CC, entonces un sistema acoplado a CC puede ser una buena opción. Por otro lado, si las principales fuentes de energía generan CA entonces un sistema acoplado a CA es una buena opción. Si las principales fuentes de alimentación de un sistema híbrido generan una mezcla de alimentación de CA y CC, entonces se puede considerar un esquema de integración acoplado híbrido.

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