1. Antecedentes e Importancia
1.1 Antecedentes del Proyecto
Con el avance gradual e integral de la construcción de redes inteligentes y el continuo desarrollo de elementos emergentes como las fuentes de energía distribuida, las microrredes, el internet de la energía y los vehículos eléctricos, la red de distribución tradicional está experimentando cambios significativos y enfrentando nuevos desafíos. Estos desafíos incluyen el soporte para la conexión a la red de la generación distribuida de energía renovable a gran escala y el soporte para la interacción con los usuarios para adaptarse a las necesidades del desarrollo de los vehículos eléctricos. El flujo de energía bidireccional de estos dispositivos de generación distribuida representa un desafío importante para la red. La potencia de carga de los vehículos eléctricos alcanza cientos de kilovatios, lo que requiere la construcción de instalaciones de carga dedicadas. Según las tendencias de desarrollo, la carga de vehículos eléctricos representará una gran proporción de la carga total de la red en el futuro. Sin embargo, la aleatoriedad de la carga de vehículos eléctricos presenta un importante recurso de equilibrio de potencia para la red. Mediante la implementación de tarifas por tiempo de uso, se puede incentivar a los usuarios a ajustar activamente sus horarios de carga de vehículos eléctricos, reduciendo significativamente las diferencias de carga entre picos y valles y mejorando la tasa de utilización de la capacidad de red existente. Además, puede compensar eficazmente la intermitencia de la generación de energía renovable, reduciendo la demanda de capacidad de reserva del sistema. Por lo tanto, la integración de la energía renovable distribuida y el desarrollo de vehículos eléctricos son necesarios para el desarrollo de una economía baja en carbono, la conservación de energía y la reducción de emisiones; su tendencia de desarrollo es innegable. A largo plazo, las futuras microrredes evolucionarán hacia una mayor fiabilidad, una mejor calidad de la energía y una mayor adaptabilidad a las necesidades de acceso a nuevas energías distribuidas y a la carga e intercambio de vehículos eléctricos. Los sistemas de medición avanzados, las redes de comunicación más rentables y los sistemas inteligentes de control integrado, programación y gestión de la energía desempeñarán un papel importante en la mejora del nivel de gestión de la producción y la fiabilidad del suministro eléctrico de las microrredes, y profundizarán la construcción de redes inteligentes.
1.2 Importancia del proyecto
Este proyecto es un proyecto de demostración de microrred que abarca energía eólica, solar, almacenamiento de energía, carga y utilización. Mediante la construcción del proyecto, se explora el establecimiento de un sistema eléctrico local que integre la generación, transmisión (distribución), almacenamiento y utilización de energía, capaz de absorber una alta proporción de energía renovable fluctuante. Asimismo, se exploran nuevos modelos de operación comercial y nuevas formas de servicios energéticos.
(1) Adaptación a las condiciones locales y mecanismos innovadores. Se construirá una microrred conectada a la red eléctrica principal, basada en la situación particular del parque y el desarrollo de las nuevas energías. Las nuevas energías constituirán la principal fuente de alimentación de la microrred. El proyecto explorará tecnologías para el suministro eléctrico independiente combinado con la red eléctrica principal, así como nuevos modelos de comercialización y gestión de la red eléctrica en el marco de la conexión a la red de microrredes de nuevas energías.
(2) Complementariedad multienergética e integración autónoma. El proyecto combina diversas fuentes de energía distribuida, almacenamiento de energía y tecnologías energéticas de alta eficiencia, y mediante redes inteligentes y sistemas de gestión energética, conforma un sistema energético distribuido integrado de alta eficiencia basado en energías renovables.
(3) Tecnología avanzada y racionalidad económica. El proyecto integra tecnología de gestión de energía distribuida y control inteligente de la energía para conformar un sistema energético avanzado y eficiente. Establece una relación interactiva bidireccional con la red eléctrica pública, lo que permite mitigar la volatilidad de las energías renovables, reducir la diferencia entre picos y valles de la red, sustituir total o parcialmente las fuentes de energía para la gestión de la demanda máxima y recibir y ejecutar instrucciones de despacho de la red. La potencia y el tiempo de intercambio en el punto de conexión a la red son controlables, lo que facilita el control de la tensión y la frecuencia dentro de la microrred. Garantiza el suministro eléctrico continuo de todas las cargas locales o críticas mediante control conectado y desconectado de la red. Además, hace que la nueva microrred energética sea económicamente viable con el apoyo de ciertas políticas, permitiéndole participar de forma flexible en el mercado eléctrico en el futuro.
(4) Demostración típica, fácil de promover. Partiendo de las condiciones existentes, el proyecto explora a fondo la aplicación de diversas tecnologías de energía distribuida y microrredes, innova en sistemas de gestión y modelos de negocio, integra diversas políticas, conforma un modelo típico con características locales y de fácil replicación, y lo promueve gradualmente mediante demostraciones.
2. Estado y objetivos del proyecto
2.1 Información básica del proyecto
El proyecto cuenta con una sala de distribución eléctrica dedicada. Una línea de 10 kVLa línea de entrada está conectada a la sala de distribución eléctrica, que contiene un transformador seco, un armario de línea de entrada, un armario de compensación de potencia reactiva y cuatro armarios de distribución. Estos cuatro armarios suministran energía al edificio de oficinas, al edificio de residencias estudiantiles, al edificio de la sala de exposiciones, a la subestación eléctrica, al alumbrado público exterior, a la azotea, al sistema contra incendios, a la sala central de servidores, a los ascensores, etc. Asimismo, se ha reservado espacio en la sala de distribución eléctrica para la futura instalación de un sistema de almacenamiento de energía.
El diagrama del sistema se muestra a continuación:
El emplazamiento del proyecto admite un nivel de tensión de 10 kV, con una capacidad instalada de 500 kVA y un consumo eléctrico anual de aproximadamente 680 MWh. La carga eléctrica actual del instituto de investigación es de 100 kW y, considerando una futura expansión, se estima que la carga eléctrica media futura será de aproximadamente 300 kW.
Los cargos por electricidad se calculan en función de la capacidad del transformador, el coste por kilovatio-hora y el factor de regulación, con un precio fijo de 0,1 USD/kWh por kilovatio-hora.
Actualmente, no hay contadores instalados en ninguno de los circuitos ni equipos eléctricos. El consumo eléctrico total del instituto de investigación solo puede registrarse manualmente desde el contador principal. No se tiene una visión clara del estado del consumo eléctrico ni del flujo de energía de cada circuito y equipo. Los métodos de gestión eléctrica son relativamente rudimentarios y la normativa aplicable es insuficiente. La aplicación de tecnologías de ahorro energético es insuficiente, lo que indica un margen de mejora significativo y un gran potencial para la conservación de energía.
2.2 Datos Meteorológicos
Este proyecto se ubica entre los 31°40′34″ y 31°57′36″ de latitud norte y los 119°59′ y 120°34′30″ de longitud este. Limita al norte con el río Yangtsé. El clima es cálido y húmedo durante todo el año, con condiciones favorables para el calor. La temperatura media anual es de 15,7 °C, con una temperatura media de 28,3 °C en el mes más caluroso del verano. El promedio de días libres de heladas supera los 240 días anuales, y la insolación es abundante, con un 43 % de horas de sol. Julio es el mes más caluroso del año y enero el más frío. Entre los desastres meteorológicos comunes se incluyen tifones, lluvias torrenciales, periodos prolongados de lluvia y olas de frío. Son frecuentes las mareas, el granizo y los vientos fuertes. Las horas de sol son más altas en julio y agosto. Las precipitaciones son abundantes durante todo el año, con un promedio de Con 136,6 días de lluvia al año y una precipitación media anual de 1177 mm, las lluvias se concentran en primavera y verano, lo que genera abundantes reservas de agua superficial y subterránea.
2.3 Análisis del impacto meteorológico
(1) Análisis de las condiciones de temperatura ambiental
Según datos meteorológicos multianuales de la estación meteorológica local, la temperatura media multianual de la zona del proyecto es de 15,7 °C, la temperatura máxima extrema multianual es de 39,4 °C y la temperatura mínima extrema multianual es de -14,2 °C.
Por lo tanto, de acuerdo con los datos de temperatura extrema de la zona del proyecto, la temperatura de funcionamiento de los paneles solares se puede controlar dentro del rango permitido. Además, la temperatura de la zona es relativamente templada, lo que favorece la generación de energía del sistema fotovoltaico.
(2) Análisis del impacto de la velocidad máxima del viento y las tormentas de arena
Este proyecto no presenta obstáculos en sus alrededores, con una velocidad máxima del viento de 23,7 m/s. Los paneles solares cuentan con una amplia superficie expuesta al viento. El diseño del soporte del módulo debe considerar el impacto de la carga de viento. El principio básico es que la resistencia al viento del soporte y la cimentación de los paneles solares no debe sufrir daños tras 25 años de presión eólica.
(3) Análisis del impacto de la acumulación de nieve
La selección de la distancia H entre el punto más bajo del panel solar y el suelo considera principalmente los siguientes factores:
a. Que sea superior a la profundidad máxima de nieve local;
b. Para prevenir daños causados por animales;
c. Para cumplir con los requisitos del cálculo del contrapeso;
Dado que no hay acumulación de nieve en esta zona, la acumulación de nieve en el área de instalación no afecta la seguridad de los paneles solares.
(4) Impacto de granizo
La superficie de los módulos fotovoltaicos es de vidrio templado y todos han superado la prueba de impacto de granizo para módulos fotovoltaicos, pudiendo soportar el impacto de granizo común.
3. Bases de diseño
GB/T 14549-1993 "Calidad de la energía - Armónicos en redes eléctricas públicas"
GB 50052-2009 Código para el diseño de sistemas de suministro y distribución de energía eléctrica
GB 50054-2011 Código para el diseño de sistemas de distribución de energía eléctrica de baja tensión
GB 50065-2011 Código para el diseño de sistemas de puesta a tierra de instalaciones eléctricas de corriente alterna
GB 50168-2006 Código para la construcción y homologación de líneas de cable en instalaciones eléctricas
GB 50169-2006 Código para la construcción y homologación de dispositivos de puesta a tierra en instalaciones eléctricas
GB 50217-2007 Código para el diseño de cables en ingeniería eléctrica
Q/GDW 238-2009 Código para sistemas de suministro de energía para carga y almacenamiento fotovoltaico de vehículos eléctricos
GB_T_2297-1989 Terminología de sistemas de energía solar fotovoltaica
GB 50797-2012 Código para el diseño de Centrales fotovoltaicas
GB/T 20046-2006 «Características de la conexión a la red de sistemas fotovoltaicos (FV)»
GB/T 19939-2005 Requisitos técnicos para la conexión a la red de sistemas fotovoltaicos
CECS85-96 Especificación técnica para la construcción y aceptación de instalaciones de sistemas fotovoltaicos solares
GB/T 18287-2000 Especificación general para baterías y paquetes de baterías de iones de litio
GB/T 2900.11-1988 BateríasTerminología
GB51048-2014 Especificación de diseño para centrales eléctricas de almacenamiento electroquímico de energía
NB/T 31016-2011 Condiciones técnicas para sistemas de control de potencia de almacenamiento de energía con baterías
4. Esquema general
4.1 Topología del sistema
Esta mejora consiste principalmente en la adición de un sistema de generación de energía fotovoltaica, un sistema de energía eólica, un sistema de almacenamiento de energía, estaciones de carga y los dispositivos de medición de electricidad correspondientes al sistema existente. El diagrama del sistema de distribución de energía mejorado se muestra a continuación; las partes en rojo representan los nuevos componentes.
Sistema Fotovoltaico: Este proyecto utiliza un sistema fotovoltaico de 300 kW instalado en la azotea, que constituye la principal fuente de generación de energía renovable. Debido a las importantes fluctuaciones en la generación de energía fotovoltaica causadas por las condiciones naturales, el sistema de control de la microrred debe centrarse en la monitorización y la programación del equipo de generación fotovoltaica.
Sistema de Energía Eólica: Este proyecto instala seis aerogeneradores pequeños de 1 kW, con una capacidad total de 6 kW, para la investigación de sistemas de energía eólica.
Sistema de Almacenamiento de Energía: Una batería solar de litio-ion de 100 kW/215 kWh se configura como el único sistema de almacenamiento de energía para la microrred. Su función es regular el rendimiento de la microrred, garantizar la calidad de la energía para cargas sensibles, suprimir las oscilaciones del sistema y realizar la reducción de picos y la compensación de valles. El control y la protección locales para cada batería solar de litio se proporcionan mediante un sistema de gestión de baterías (BMS) correspondiente, y el sistema de control de la microrred gestiona y controla el BMS a través de comunicación.
Estaciones de carga de CA: Este proyecto incluye cinco estaciones de carga de CA de 7 kW, una estación de carga de CC de 80 kW y una estación de carga de CC de 120 kW. La protección y el control locales de estas estaciones de carga se gestionan desde la propia estación, mientras que el sistema de control de la microrred administra y programa las estaciones de carga mediante comunicación.
4.2 Características del sistema
Este proyecto construirá un sistema de microrred multisource basado en un bus de CA de 0,4 kV, que integra la red eléctrica, energía fotovoltaica, energía eólica, almacenamiento de energía, puntos de carga y cargas tradicionales. Mediante el control conjunto de la generación y el consumo de energía dentro de la microrred, se logrará una gestión y programación unificadas, lo que permitirá la gestión dinámica de la carga del instituto de investigación y el ajuste de los niveles de protección de carga según las condiciones de funcionamiento de los equipos.
Para lograr la gestión, la monitorización y el control de todo el sistema de microrred, la arquitectura del sistema de monitorización del proyecto se muestra en la Figura 11.
(1) El sistema adopta una arquitectura de tres capas: la capa superior es el sistema de gestión de energía, la capa intermedia es el sistema de control central y la capa inferior es la de equipos. Este sistema es autónomo, capaz de autocontrol, protección y gestión, y puede alternar entre la conexión a la red y el funcionamiento aislado. Puede operar en paralelo con la red eléctrica externa o de forma aislada.
(2) El sistema cuenta con funciones integrales de comunicación, monitorización, gestión, control, alerta temprana y protección, lo que garantiza un funcionamiento continuo y seguro durante largos periodos. El estado operativo del sistema se puede monitorizar mediante un ordenador central, lo que proporciona amplias capacidades de análisis de datos.
(3) La estrategia de despacho de energía del sistema se ajusta y configura de forma flexible mediante el sistema de gestión de energía en función del estado de carga (SOC) de las baterías solares de iones de litio.
(4) El sistema opera en paralelo con la red eléctrica, logrando un funcionamiento económico y un despacho inteligente mediante la predicción de las fuentes y cargas de energía distribuida.
5.1.1 Principios de diseño
El diseño de un sistema de generación de energía fotovoltaica requiere alta fiabilidad para garantizar su funcionamiento normal en condiciones adversas; además, debe ser fácil de operar y mantener para mayor comodidad del usuario.
Teniendo en cuenta las características especiales de los sistemas fotovoltaicos en tejados y la seguridad y fiabilidad de los sistemas conectados a la red durante la instalación y el uso, y minimizando las líneas de conexión entre el conjunto fotovoltaico y el inversor, así como facilitando el mantenimiento futuro, se recomiendan los inversores de cadena.
El sistema de generación de energía fotovoltaica debe configurarse de forma racional para satisfacer de manera fiable los requisitos de carga, minimizando el tamaño del sistema y reduciendo los costes de inversión.
5.1.2 Esquema del sistema
Este proyecto está diseñado como un sistema distribuido, sin utilizar sistemas de seguimiento solar ni de concentración. Los paneles solares se instalan con un ángulo de inclinación fijo y se conectan al sistema de distribución de energía de baja tensión de la empresa para lograr el autoconsumo y la inyección de energía a la red.
(1) Capacidad instalada
En función del consumo eléctrico actual, los precios de la electricidad, la ubicación de la instalación y los costes de inversión, se ha determinado que la capacidad instalada de este proyecto es de 300 kW. Se estima que, tras la puesta en marcha, la tasa de autoconsumo total superará el 90 %.
(2) Ajuste del ángulo de inclinación
El ángulo de inclinación óptimo para una instalación fija depende de diversos factores, como la ubicación geográfica, la distribución anual de la radiación solar, la relación entre la radiación directa y difusa, los requisitos de suministro eléctrico y las condiciones específicas del emplazamiento.
El ángulo de inclinación de la instalación del arreglo fotovoltaico influye significativamente en la eficiencia del sistema de generación de energía fotovoltaica. Para la implementación de arreglos fijos, los módulos fotovoltaicos deben instalarse con el azimut y el ángulo de inclinación adecuados para garantizar un rendimiento óptimo de los paneles solares. La ubicación de la instalación debe elegirse de forma que los módulos reciban luz solar entre las 9:00 y las 15:00 horas del día con menor número de horas de sol del año.
El ángulo de inclinación óptimo se determina por la latitud del emplazamiento y la distribución mensual de la irradiancia solar. A partir de los datos de radiación solar horizontal del emplazamiento, se puede optimizar el método de cálculo de la radiación solar total sobre la superficie inclinada para obtener el ángulo de inclinación óptimo.
Este proyecto incluye la instalación sobre un techo de chapa ondulada. Para minimizar la carga adicional sobre el sistema fotovoltaico, se adopta un método de instalación con inclinación fija. El ángulo de inclinación de los soportes fijos en el techo de chapa ondulada es de aproximadamente 3° con respecto al ángulo de inclinación del techo. En el techo con pendiente norte, el ángulo es de 3° una vez elevados los soportes.
Los sistemas de montaje solar se instalan y fijan mediante abrazaderas fotovoltaicas especializadas que sujetan las chapas onduladas sin dañar la capa impermeabilizante del techo. En el techo con pendiente sur, los módulos fotovoltaicos se instalan directamente con el ángulo de inclinación del techo alineado con su inclinación. En el techo con pendiente norte, el ángulo de inclinación horizontal de las columnas de soporte es de 3° una vez construidas.
La estructura de los soportes utiliza perfiles de aleación de aluminio y se fija con pernos. Los pernos son de acero inoxidable 304, lo que garantiza una vida útil superior a 25 años.
(3) Cálculo de la generación de energía
Según la capacidad instalada del proyecto, la ubicación y el método de instalación, la generación de energía en el primer año se calcula de la siguiente manera: Véase el Capítulo 6 para más detalles.
Tabla de estimación de generación de energía fotovoltaica
Capacidad instalada | Horas pico promedio diarias | Horas máximas de sol anuales | Generación inicial de energía anual |
| 300kW | 3.46h | 1264h | 303MWh |
Nota: La eficiencia de generación de energía se calcula sobre la base del 80%. | |||
5.1.3 Módulos fotovoltaicos
Los tipos comunes de módulos solares incluyen silicio policristalino, silicio monocristalino y silicio amorfo de película delgada. Comparación del rendimiento de varias tecnologías de células solares de uso común:
(1) Los módulos de células solares de silicio cristalino son tecnológicamente maduros, con un rendimiento estable y una larga vida útil.
(2) Entre los módulos de células solares de uso comercial, los módulos de silicio monocristalino tienen la mayor eficiencia de conversión, seguidos por los de silicio policristalino.
(3) Los módulos de células de silicio cristalino tienen una tasa de fallos extremadamente baja y son los más sencillos de operar y mantener.
(4) Los módulos de células solares de silicio cristalino son fáciles y prácticos de instalar en áreas abiertas, lo que permite diseños compactos y ahorra espacio.
(5) Si bien las baterías de silicio amorfo de película delgada presentan ciertas ventajas en cuanto a precio, respuesta con baja luminosidad y rendimiento a altas temperaturas, su vida útil es relativamente corta.
Considerando la madurez y la rentabilidad de los módulos de celdas de silicio cristalino, así como su uso a gran escala tanto a nivel nacional como internacional, este proyecto adopta celdas PERC de alta eficiencia con múltiples barras colectoras, combinadas con la tecnología de reducción de celdas a la mitad. El producto ofrece una mayor potencia de salida, lo que reduce eficazmente el costo por vatio del sistema. Además, presenta un excelente rendimiento en términos de pérdidas por sombreado y coeficiente de temperatura, mientras que la tecnología de reducción de celdas a la mitad disminuye eficazmente el riesgo de puntos calientes en los módulos de alta potencia, demostrando un rendimiento y una fiabilidad superiores en la generación de energía para aplicaciones de sistemas.
| Potencia máxima (Pmax) | 550Wp |
| Dimensión | 2274×1134×35mm |
| Tensión en circuito abierto (Voc) | 49.62V |
| Tensión de máxima potencia (Vmp) | 40.9V |
| Corriente de cortocircuito (Isc) | 14.03A |
| Corriente de máxima potencia (Imp) | 13.45A |
| Eficiencia del módulo STC | 21.29% |
| Temperatura de funcionamiento | -40℃~+85℃ |
| Peso | 28.9kg |
5.1.4 Inversor conectado a la red
El inversor es un componente crucial en un sistema de generación de energía solar conectado a la red. Su función principal es convertir la corriente continua (CC) generada por los paneles solares en corriente alterna (CA) e inyectarla a la red eléctrica. Simultáneamente, estabiliza la tensión intermedia, facilita el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) mediante el convertidor elevador de tensión (boost chopper) y proporciona una protección integral de conexión a la red para garantizar un funcionamiento seguro y fiable del sistema.
Los paneles solares se conectan en varias cadenas en paralelo, cada una conectada a un inversor independiente, formando un inversor de cadena. De esta manera, las cadenas fotovoltaicas no se conectan en paralelo en el lado de CC, sino en paralelo con la red en el lado de CA. Cada inversor de cadena cuenta con una unidad MPPT independiente, lo que reduce el desajuste entre el punto de funcionamiento óptimo de la cadena de paneles solares y el inversor, así como las pérdidas causadas por el sombreado, aumentando así la generación de energía.
Este proyecto es un sistema fotovoltaico distribuido en azotea con una capacidad instalada de 300 kWp. Se utiliza una conexión a la red eléctrica de baja tensión (400 V) mediante un transformador propio de la empresa. Por lo tanto, este proyecto prioriza el uso de inversores de cadena de alto rendimiento. El lado de CC emplea un sistema de 1100 V, mientras que el lado de CA utiliza un sistema de 400 V, lo cual resulta adecuado para este proyecto.
Eficacia máxima | 98.6% |
Tensión de entrada máxima | 1100V |
Corriente de entrada máxima por MPPT | 26A |
Corriente máxima de cortocircuito por MPPT | 40A |
Rango de voltaje | 200V-1000V |
Tensión de entrada nominal | 600V |
Número de canales de entrada | 20 |
Número de MPPT | 10 |
Potencia de salida nominal | 100,000W |
Potencia aparente máxima | 110,000VA |
Potencia activa máxima (cosφ=1) | 110,000W |
Tensión de salida nominal | 3×220V/380V, 3×230V/400V, 3W+N+PE |
Frecuencia | 50Hz/60Hz |
Corriente de salida nominal | 152.0A (380Vac), 144.4A (400Vac) |
Corriente de salida máxima | 168.8A (380Vac), 160.4A (400Vac) |
| factor de potencia | 0.8 (adelantado)...0.8 (retrasado) |
| THDU | <3% |
5.1.5 Micrometeorología
Para monitorizar la generación y la eficiencia de la energía fotovoltaica, se requiere la monitorización en línea de información ambiental como la radiación solar, la temperatura y la velocidad del viento.
La estación meteorológica QXZN Edición Estándar es una estación meteorológica de configuración estándar. Este dispositivo cuenta con una interfaz maestra Modbus-RTU (para velocidad y dirección del viento, temperatura y humedad del suelo, temperatura y humedad del aire, ruido, calidad del aire, presión atmosférica, radiación solar, lluvia y nieve, radiación ultravioleta, radiación total, CO, O3, NO2, SO2, H2S, O2, CO2, etc.), un canal de adquisición de datos de precipitación (precipitación total + precipitación instantánea + precipitación diaria + precipitación actual), una salida para nitrógeno, fósforo y potasio, y dos salidas de relé (opcionales). El dispositivo puede cargar datos a la plataforma de software de monitorización mediante GPRS o Ethernet. También dispone de una interfaz esclava Modbus-RTU, que permite cargar datos al software de monitorización del cliente o al panel de configuración del PLC mediante comunicación RS-485. Además, puede conectarse a una pantalla LED externa (matriz de puntos predeterminada de 96x48).
5.1.6 Esquema de configuración del sistema
Este proyecto está diseñado con una capacidad instalada fotovoltaica (FV) de 300 kW (capacidad del transformador de 500 kVA, tasa de generación de energía FV del 60 % en condiciones extremas, cumpliendo con los requisitos de diseño). Con módulos FV de 550 W, se requieren 545 módulos (300.000 W ÷ 550 W), lo que resulta en una capacidad instalada FV de 299,75 kW.
Se selecciona un inversor de cadena de 100 kW, con un rango de seguimiento MPPT de 200 a 1100 V CC y una tensión de entrada CC máxima de 1100 V CC.
Con base en los datos anteriores, y considerando temperaturas extremas, se calcula el número de módulos FV en serie: tensión de entrada máxima 1100 V ÷ 49,62 V = 22 módulos. La tensión nominal de 600 V ÷ 49,62 V = 12 módulos. Por lo tanto, el número de módulos fotovoltaicos debe estar entre 12 y 22. Para garantizar el funcionamiento a largo plazo del inversor, este proyecto selecciona 15 módulos fotovoltaicos por cadena, conectados al inversor a 750 V. Si cada inversor conecta 15 paneles solares, habrá un total de 36 canales de entrada: 35 canales con 15 módulos cada uno y 1 canal con 20 módulos.
Los inversores seleccionados para este proyecto admiten un máximo de 20 canales de entrada, lo que requiere dos inversores de 100 kW, cada uno conectado a 18 cadenas de módulos. (La relación de capacidad es de 1,495. Según la norma "NB/T 10394-2020 Photovoltaic Power Generation System Energy Efficiency Specification", una relación de capacidad de 1,5 para módulos fijos de una sola cara optimiza el coste de generación de energía, cumpliendo con los requisitos de diseño).
Diagrama de bloques de la solución del sistema fotovoltaico
5.2 Esquema de configuración del sistema de energía eólica
5.2.1 Sistema de generación de energía eólica
El sistema de generación de energía eólica conectado a la red utiliza aerogeneradores para convertir la energía eólica en corriente alterna (CA). La salida de CA de los aerogeneradores, que presenta amplitud y frecuencia inestables, se rectifica a corriente continua (CC) mediante un controlador y se envía a un inversor. El inversor convierte la CC en CA estable, la cual, tras ser medida, se introduce directamente en el inversor de CC para generar corriente alterna trifásica de 380 V y 50 Hz.
La salida de CA del inversor conectado a la red se introduce en un cuadro de distribución de CA de baja tensión y se conecta en paralelo con el terminal de 380 V CA de la subestación. El sistema utiliza una salida trifásica de cinco hilos de 220/380 V CA y opera conectado directamente a la red, al lado secundario del transformador en la sala de distribución. El sistema de generación eólica conectado a la red cuenta con funciones de protección contra inversión de polaridad, anti-isla, sobrecorriente por cortocircuito y sobretensión para garantizar el funcionamiento seguro y fiable del sistema de energía eólica conectado a la red.
5.3 Esquema de configuración del sistema de carga
5.3.1 Esquema del sistema
El sistema de carga se compone principalmente de equipos de carga y una plataforma de monitorización. Los equipos de carga incluyen cinco estaciones de carga de CA de 7 kW, una estación de carga de CC de 80 kW y una estación de carga de CC de 120 kW. Cada estación de carga seleccionada consta de una derivación, un contactor, un cable de conexión de carga y un enchufe para el vehículo, un controlador de carga, indicadores luminosos de estado, un módulo de medición y un módulo de alimentación auxiliar.
La estación de carga puede mostrar información relevante para cada estado, incluyendo el estado operativo, la capacidad de carga y la información de facturación. Los caracteres mostrados deben ser claros, completos, legibles incluso sin luz ambiental. Debe contar con la función e interfaz para la configuración manual externa de parámetros y el control manual; se debe instalar un medidor de energía interno para medir la energía de salida de la estación de carga, lo que permite la transmisión remota de la información de medición de carga a la plataforma en la nube de pago de vehículos eléctricos; y debe ser compatible con una función de escaneo de códigos QR mediante una aplicación para la funcionalidad de inicio/parada.
5.3.2 Pilas de carga
Parámetro de la pila de carga
| Estación de carga de CA de 7 kW | |
| Potencia nominal | 7kW |
| Voltaje de entrada | AC220V±15% |
| Modo de entrada | Sistema monofásico de tres hilos |
| Frecuencia de funcionamiento | 45~55Hz |
| Voltaje de salida | AC220V |
| Corriente de salida | 0~32A |
| Índice de protección | IP65 |
| Estación de carga de CC de 120 kW | |
| Potencia de salida máxima | 120kW |
| Rango de voltaje de salida | 200-700VDC |
| Corriente de salida máxima | 250A |
| Fuente de alimentación auxiliar BMS | 12VDC |
| Eficacia máxima | ≥95% |
| Tensión de entrada nominal | 380AC (sistema trifásico de cinco hilos, 3W+N+PE); |
| Rango de voltaje de entrada | 304~456Vac |
| Rango de frecuencia de entrada | 45~65Hz |
5.4 Esquema de configuración del sistema de almacenamiento de energía
5.4.1 Esquema del sistema
El sistema de almacenamiento de energía es una parte fundamental del sistema de microrred. Se compone principalmente de baterías solares, un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema de protección contra incendios, un sistema de conversión de energía, armarios de conexión, armarios de distribución y accesorios eléctricos relacionados. Las baterías de fosfato de hierro y litio ofrecen alta seguridad; no explotan ni se incendian por sobrecarga, sobredescarga, sobrecalentamiento, cortocircuitos o impactos. Además, son ecológicas, no contienen metales pesados ni metales raros, son atóxicas (con certificación CE) y no contaminan. En función de los requisitos del sistema fotovoltaico y del sistema de carga, este proyecto selecciona un sistema de almacenamiento de energía de 100 kW/215 kWh para su configuración. En este caso, se elige el sistema integral Brovolt de 100 kW/215 kWh.
| Marca | Brovolt |
| tipo de célula | LiFePO4 |
| Configuración | 1P240S |
| Energía | 215kWh |
| Rango de voltaje de la batería | 672V-864V |
| Tipo de cuadrícula | 3P4W |
| Poder nominal | 100kW |
| Tensión nominal | AC400V |
| Frecuencia | 50Hz/60Hz |
| Corriente nominal | 72A |
| Factor de potencia | 0.8（Leading）~0.8（Lagging） |
| Armónicos de salida | ≤3% |
5.4.4 Esquema de instalación del sistema de almacenamiento de energía
Con respecto a la instalación del sistema de almacenamiento de energía, y considerando las condiciones actuales del sitio, este proyecto contempla dos esquemas de instalación: uno consiste en instalarlo utilizando contenedores estándar, colocándolos por separado en un área abierta; el otro consiste en instalarlo en una sala de distribución eléctrica existente, configurando el aire acondicionado, la protección contra incendios, la iluminación y demás instalaciones necesarias.
5.4.5.1 Esquema de instalación del armario exterior integrado
Este sistema adopta un esquema estandarizado. La apariencia general del armario exterior se muestra en la figura siguiente.
Al seleccionar un sitio de instalación, siga al menos los siguientes principios:
Deben considerarse exhaustivamente las condiciones climáticas y geológicas (como la emisión de ondas de estrés y el nivel freático) del sitio de instalación del sistema integrado de almacenamiento de energía.
· El entorno circundante debe ser seco, estar bien ventilado y alejado de zonas inflamables y explosivas.
· El suelo en el sitio de instalación debe tener un cierto grado de compactación. Se recomienda que la compactación relativa del suelo en el sitio de instalación sea ≥98%. Si el suelo está suelto, deben tomarse medidas para garantizar una base estable.
Nota: (1) Debe instalarse un sistema de drenaje en el sitio de instalación para evitar que la parte inferior o los equipos internos de la batería o el gabinete exterior de CA se sumerjan en agua durante la temporada de lluvias o precipitaciones intensas.
(2) No plante árboles cerca del sitio de instalación. Esto es para evitar que los fuertes vientos derriben ramas u hojas que puedan bloquear las puertas o las entradas de aire de la batería o el gabinete exterior de CA.
Las conexiones eléctricas deben cumplir estrictamente con el manual del usuario del fabricante.
5.5 Sistema de almacenamiento y monitorización de carga fotovoltaica
5.5.1 Solución del sistema
El Sistema de Monitoreo de Energía (EMS) para Microrredes Fotovoltaicas con Almacenamiento y Carga proporciona monitoreo y gestión centralizados de equipos como cajas combinadoras fotovoltaicas, inversores fotovoltaicos conectados a la red, inversores para aerogeneradores conectados a la red, BMS y PCS dentro del sistema de microrred, así como sensores ambientales y de alarma relacionados. El EMS recopila información de los equipos y datos del estado de los sensores mediante módulos inteligentes de adquisición y transmisión de datos. Simultáneamente, el software del EMS también proporciona funciones de alarma para los equipos, lo que permite a los usuarios gestionar rápidamente las fallas relacionadas.
Las funciones principales del Sistema de Monitoreo de Energía para Microrredes Fotovoltaicas con Almacenamiento y Carga incluyen:
1) Monitoreo del estado y los datos operativos generales de la microrred.
2) Monitoreo de los datos operativos y el estado de los equipos fotovoltaicos, de energía eólica, de almacenamiento de energía y de las estaciones de carga.
3) Visualización de la información actual del flujo de energía del sistema.
4) Gestión de la energía y control coordinado de los sistemas fotovoltaicos y de almacenamiento de energía.
5) Análisis estadístico del consumo eléctrico, el uso de energías renovables y los datos de ahorro energético.
6) Gestión de usuarios y control de acceso.
7) Gestión de alarmas importantes, etc. 5.5.2 Monitorización y gestión
(1) Monitorización fotovoltaica
En los sistemas de generación de energía fotovoltaica, el sistema de almacenamiento y carga fotovoltaica permite la monitorización en línea de los paneles fotovoltaicos, las condiciones ambientales, las cajas de conexión y los inversores, garantizando así el funcionamiento seguro de la generación de energía fotovoltaica.
Monitorización de mediciones: Información ambiental como la radiación solar, la temperatura y la velocidad del viento; temperatura de los paneles, tensión CC, corriente CC, potencia CC y potencia del inversor, etc.
Monitorización del estado: Alarmas de sobretensión/subtensión CA/CC, sobrecorriente CA/CC y sobre/subfrecuencia. Protección contra sobretemperatura, sobrecarga y fugas, etc.
Monitoreo de energía: Generación de energía fotovoltaica en tiempo real, generación total de energía, etc.
Control remoto: Arranque, parada y ajuste de potencia del inversor.
(2) Monitoreo de turbinas eólicas
Para sistemas de generación de energía eólica, el sistema a nivel de estación cuenta con la función de monitoreo en línea de los inversores conectados a la red, etc., garantizando el funcionamiento seguro de la generación de energía eólica.
Monitoreo de mediciones: Información ambiental como temperatura y velocidad del viento; voltaje CC, corriente CC, potencia CC y potencia del inversor, etc. Monitoreo de estado: Alarmas de sobretensión/subtensión CA/CC, sobrecorriente CA/CC, sobre/subtensión de frecuencia, protección contra sobretemperatura, sobrecarga y fugas, etc.
Monitoreo de potencia: Generación de energía de la turbina eólica en tiempo real, generación total de energía, etc.
Control remoto: Arranque, parada y ajuste de potencia del inversor.
(3) Monitoreo del almacenamiento de energía: El sistema de almacenamiento y carga fotovoltaica cuenta con la función de monitoreo en línea de las baterías solares y el inversor bidireccional PCS, asegurando que su capacidad restante se encuentre dentro de un rango razonable y garantizando la utilización segura y adecuada de la batería.
Monitoreo de mediciones: Modo de operación, modo de control de potencia, información de valores preestablecidos como potencia, voltaje, corriente y frecuencia, voltaje y corriente de carga y descarga de la batería solar de iones de litio, SOC y temperatura.
Datos de alarma de estado: Estado de carga y descarga de la batería, sobretensión/subtensión CA/CC, sobrecorriente CA/CC, alarma de sobre/subfrecuencia, sobretemperatura, sobrecarga, protección contra fugas, etc.
Datos de energía: SOC de la batería.
Datos de configuración: Arranque, parada y ajuste de potencia del PCS.
(4) Monitoreo de carga: El sistema de almacenamiento y carga fotovoltaica debe contar con la función de monitoreo de diversas mediciones, monitoreo de estado y monitoreo de energía para la estación de carga.
Monitoreo de mediciones: Corriente de carga, voltaje de carga, potencia de carga, tiempo de carga, etc.
Monitoreo de estado: Estado de la estación de carga, estado del interruptor de confirmación de conexión. Monitoreo de potencia: Cantidad de carga en tiempo real y lecturas del medidor durante el proceso de carga.
(5) Monitoreo de la distribución de energía: El sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico monitorea diversos datos de medición, datos de alarmas de estado y datos de potencia de los interruptores de alta y baja tensión del transformador de distribución de entrada.
Monitoreo de mediciones: Corriente, voltaje, potencia y frecuencia de los lados de alta y baja tensión del transformador de distribución.
Monitoreo de estado: Estado de los interruptores de alta y baja tensión del transformador de distribución y señales de operación de los dispositivos de protección.
Monitoreo de potencia: Consumo de energía de los lados de alta y baja tensión del transformador de distribución.
(6) Monitoreo auxiliar: El sistema de carga y almacenamiento fotovoltaico monitorea el ambiente de la sala de distribución, la seguridad, la protección contra incendios y las funciones de video. También puede ejecutar controles de enlace relevantes basados en anomalías monitoreadas para garantizar la seguridad del entorno operativo.
5.5.3 MaiFunciones: El sistema fotovoltaico de almacenamiento y carga es el sistema de gestión de nivel superior de la microrred. Distribuye la energía en la microrred según principios óptimos y coordina el flujo de potencia entre las distintas unidades de generación. Realiza funciones como la monitorización de equipos, la monitorización fotovoltaica, la monitorización de la energía eólica, la monitorización del almacenamiento de energía, la monitorización de la distribución de energía, la gestión del sistema de monitorización auxiliar, el análisis estadístico de la energía, la gestión energética, el despacho del almacenamiento de energía, las alarmas de eventos y la gestión de informes. Descripción de las funciones relacionadas:
La monitorización de equipos es un módulo para visualizar datos en tiempo real de los equipos del sistema. Permite visualizar los datos en tiempo real en formatos configurados o basados en listas, y facilita el control y la configuración dinámica de los equipos a través de esta interfaz.
La interfaz de monitorización ambiental muestra gráficamente los datos de temperatura y humedad ambiente.
Mediante el análisis estadístico de los datos de consumo energético, el sistema determina el estado del consumo energético del edificio y la eficiencia energética de los equipos, proporcionando así medidas de optimización de la gestión energética. Durante el procesamiento y la carga de datos, el sistema categoriza, recopila e informa sobre el consumo eléctrico de iluminación, aire acondicionado y calefacción, uso de oficinas, ascensores, equipos especializados y otros fines.
El sistema debe admitir múltiples niveles de alarma (alarmas generales, importantes y de emergencia). Diversos parámetros de umbral y otros parámetros de alarma deben ser configurables. El color, la frecuencia y el volumen de las luces indicadoras de alarma en cada nivel deben ajustarse automáticamente según el nivel de alarma. Cuando se produce una alarma, debe alertar automáticamente al usuario, mostrar la información de alarma y permitir la impresión de dicha información.
El sistema también proporciona funciones para consultar, analizar estadísticamente, organizar e imprimir estadísticas de datos de equipos, así como para gestionar el software básico de informes. El sistema de monitoreo y gestión tiene la función de almacenar diversos datos históricos de monitoreo, datos de alarmas y registros de operación (en adelante, datos de rendimiento) en la base de datos del sistema o en un almacenamiento externo.
El sistema de gestión de energía completa la recopilación y el monitoreo de datos de la información del BMS de la batería, el control inteligente de equipos como los convertidores de almacenamiento de energía y realiza funciones como la gestión de carga y descarga del sistema de almacenamiento de energía, la conmutación entre conexión y desconexión de la red y el control optimizado.
El sistema de monitoreo auxiliar se refiere al monitoreo centralizado de variables como el entorno de la subestación, la seguridad, la protección contra incendios y el video. El suministro eléctrico, el aire acondicionado y otros equipos de energía, así como el entorno de la subestación, son fundamentales para garantizar el funcionamiento seguro y estable del sistema. Para la gestión inteligente del aire acondicionado y la iluminación, la interfaz RS485 permite recopilar la temperatura y la humedad ambiental, iniciar/detener de forma remota, ajustar la temperatura, configurar el modo de funcionamiento y realizar otras operaciones, lo que permite el monitoreo y control remoto del aire acondicionado y minimiza el consumo de energía.
5.5.4 Gestión de Energía: Con base en los parámetros operativos, las restricciones y los datos previstos de cada sistema, se formulan estrategias de coordinación y control de energía para lograr la interacción, la integración y la asignación flexible de energía entre la red de distribución, la generación distribuida de energía renovable, las instalaciones de carga y los dispositivos de almacenamiento de energía.
La interconexión de sistemas fotovoltaicos y aerogeneradores no solo puede mejorar este problema, sino que también contribuye al ahorro energético y a la reducción de emisiones. Asimismo, el almacenamiento de energía se caracteriza por su flexibilidad, capacidad de despacho y respuesta rápida. Los vehículos eléctricos también constituyen un recurso de despacho por el lado de la demanda. Por lo tanto, mediante el despacho conjunto de cargas fotovoltaicas, eólicas, de almacenamiento y de vehículos eléctricos, se logra, por un lado, una mejor distribución temporal de la carga, priorizando así la absorción de la energía fotovoltaica y eólica y reduciendo el impacto en la red eléctrica; por otro lado, se reducen los costos de carga para los usuarios y se incrementan los ingresos, consiguiendo una situación económica beneficiosa para todos.
Las estrategias de control de gestión energética de este proyecto son las siguientes:
(1) Estrategia de operación automática conectada a la red
1. El equipo de generación de energía se mantiene en estado activado. Durante la operación conectada a la red, la microrred puede inyectar energía a la red principal, por lo que es necesario garantizar que el equipo de generación de energía permanezca activado para maximizar el aprovechamiento de la energía limpia.
2. Si el estado de carga (SOC) de la batería solar es inferior al 90%, se inicia la carga, la cual se detiene cuando alcanza el 100%.
3. Durante la descarga, si el estado de carga (SOC) de la batería solar de iones de litio es inferior al 15%, el sistema emite una alarma, pero no detiene la descarga. Cuando el SOC alcanza el 5%, la descarga se detiene y se activa una alarma.
4. El ajuste de potencia para la carga y descarga se realiza en incrementos de 5 kW, con un ajuste de 5 kW en cada iteración.
5. La estrategia solo ajusta la carga y descarga cuando la diferencia entre la energía generada por el equipo y el consumo de la carga supera los 5 kW.
(2) Estrategia de reducción de picos y llenado de valles
1. Con base en la información de precios por franjas horarias, se definen los periodos de carga y descarga, y se configuran diferentes modos de carga y descarga (una carga y una descarga, dos cargas y dos descargas, etc.).
2. Cuando la generación de energía de las fuentes distribuidas supere el consumo de carga, priorice el uso de la electricidad de dichas fuentes para cargar la batería. Una vez cargada por completo, la batería podrá inyectar energía a la red.
(3) Estrategia de Monitoreo de la Fuente de Alimentación de Energía Conectada a la Red
1. Durante los periodos de máxima demanda eléctrica, monitoree la alimentación desde el punto de conexión común (PCC), la generación de energía de la microrred y su consumo. Tras el cálculo y análisis, permita que la energía autogenerada que exceda la demanda se inyecte a la red.
2. Al detectar la generación y el consumo de energía de los equipos de generación de la microrred, y combinar esta información con el tiempo de ejecución de la estrategia de almacenamiento de energía, se puede calcular la energía autogenerada del sistema de la microrred almacenada en el sistema de almacenamiento. Si es necesario inyectar energía almacenada a la red principal durante los periodos de máxima demanda, esta no debe superar la energía autogenerada del sistema de la microrred almacenada en el sistema de almacenamiento. (4) Optimizar la estrategia de operación. Para la programación optimizada de la generación de energía distribuida, la red de distribución, el almacenamiento de energía y la demanda eléctrica, la información de generación y demanda de las fuentes de energía distribuida se puede predecir combinando datos de generación, datos meteorológicos e históricos. Se puede construir un modelo de optimización combinando los precios de la electricidad, la carga y descarga de los sistemas de almacenamiento de energía y la potencia. La estrategia de programación de cada sistema (eólico, solar, de almacenamiento y de carga) se puede determinar mediante algoritmos como redes neuronales y optimización por enjambre de partículas.
